JP6224703B2 - Silicon ingot manufacturing method and silicon ingot - Google Patents

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Description

本発明は、シリコンインゴットの製造方法およびシリコンインゴットに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a silicon ingot and a silicon ingot.

太陽電池素子には、シリコン基板が半導体基板として広汎に適用されている。このシリコン基板は、単結晶または多結晶のシリコンインゴットが所望の厚さに薄切りにされることで得られる。   Silicon substrates are widely used as semiconductor substrates in solar cell elements. This silicon substrate is obtained by slicing a monocrystalline or polycrystalline silicon ingot to a desired thickness.

単結晶のシリコンインゴットの製造方法としては、例えば、チョクラルスキー法およびフローティングゾーン法等が知られている。また、多結晶のシリコンインゴットの製造方法としては、例えばキャスト法等が知られている。そして、多結晶のシリコンインゴットは、単結晶のシリコンインゴットよりも簡便に製造され得る(例えば、特開2007−9597号公報を参照)。ところが、半導体基板として多結晶のシリコン基板が用いられた太陽電池素子の光電変換効率は、結晶粒界等の結晶欠陥の存在によって、単結晶のシリコン基板が用いられた太陽電池素子の光電変換効率よりも低いことが一般的に知られている。   As a method for producing a single crystal silicon ingot, for example, the Czochralski method and the floating zone method are known. As a method for producing a polycrystalline silicon ingot, for example, a casting method or the like is known. A polycrystalline silicon ingot can be manufactured more easily than a single crystal silicon ingot (see, for example, JP-A-2007-9597). However, the photoelectric conversion efficiency of a solar cell element using a polycrystalline silicon substrate as a semiconductor substrate is the photoelectric conversion efficiency of a solar cell element using a single crystal silicon substrate due to the presence of crystal defects such as grain boundaries. Is generally known to be lower.

そこで、キャスト法を用いて、結晶粒界等の欠陥が少なく、結晶方位が揃ったシリコンインゴットを製造する方法が提案されている(例えば、特開平10−194718号公報および特表2009−523693号公報を参照)。この製造方法では、鋳型内の底面に種結晶としての単結晶のシリコンが配置された状態で、シリコン融液を鋳型内に注入することによって、種結晶を起点として該シリコン融液を一方向に凝固させる方法(シードキャスト法)が採用されている。   In view of this, there has been proposed a method of manufacturing a silicon ingot with few defects such as crystal grain boundaries and having a uniform crystal orientation by using a casting method (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-194718 and Japanese Translation of PCT International Publication No. 2009-523893). See the publication). In this manufacturing method, in a state where single crystal silicon as a seed crystal is arranged on the bottom surface in the mold, the silicon melt is injected in one direction from the seed crystal as a starting point by injecting the silicon melt into the mold. A solidifying method (seed casting method) is employed.

しかしながら、シードキャスト法では、種結晶を準備するための煩雑な製造工程および製造コストの上昇を招く。また、複数の種結晶を鋳型の底面に配列する場合には、種結晶を高精度で配列しなければ、シリコン融液が一方向に凝固し難く、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットを製造することが難しい。   However, the seed casting method causes a complicated manufacturing process for preparing the seed crystal and an increase in manufacturing cost. Also, when arranging a plurality of seed crystals on the bottom surface of the mold, unless the seed crystals are arranged with high accuracy, the silicon melt is difficult to solidify in one direction, and has a region with few defects and excellent crystallinity. It is difficult to manufacture a silicon ingot.

そこで、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットを簡便に製造することができる、シリコンインゴットの製造方法およびシリコンインゴットが望まれている。   Therefore, a silicon ingot manufacturing method and a silicon ingot that can easily manufacture a silicon ingot having a region with few defects and excellent crystallinity are desired.

上記課題を解決するために、一態様に係るシリコンインゴットの製造方法は、鋳型を準備する第1工程と、前記鋳型内に第1シリコン融液を供給し、該第1シリコン融液を前記鋳型内の底部上において凝固させることで、第1領域と該第1領域上に該第1領域よりも断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が高い第2領域とを有している第1凝固層を形成する第2工程と、前記鋳型内の前記第1凝固層上に第2シリコン融液を供給し、該第2シリコン融液を前記第1凝固層から上方に向かう一方向に凝固させて、前記第2領域よりも断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が低い第3領域を有する第2凝固層を形成する第3工程と、を有する。   In order to solve the above-described problem, a silicon ingot manufacturing method according to an aspect includes a first step of preparing a mold, a first silicon melt supplied into the mold, and the first silicon melt being used as the mold. By solidifying on the bottom of the first region, a first region and a second region having a higher density of defects that can become etch pits by etching in the cross section than the first region are formed on the first region. A second step of forming one solidified layer; supplying a second silicon melt onto the first solidified layer in the mold; and passing the second silicon melt in a direction upward from the first solidified layer. And a third step of forming a second solidified layer having a third region having a lower density of defects that can be etched pits by etching in the cross section than the second region.

また、一形態に係るシリコンインゴットは、底部から順に積層されている第1領域、第2領域および第3領域を備え、前記第2領域の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が、前記第1領域および前記第3領域の各断面における前記エッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度よりも高く、前記第1領域および前記第2領域の厚さの和が前記底部からの高さの2〜20%であるIn addition, the silicon ingot according to one embodiment includes a first region, a second region, and a third region that are sequentially stacked from the bottom, and the density of defects that can become etch pits by etching in the cross section of the second region is height from the by etching rather higher than the density of defects that may be etch pits, the sum of the thickness of the first region and the second region is the bottom portion of each cross section of the first region and the third region 2 to 20% .

また、他の一形態に係るシリコンインゴットは、底部から順に積層されていて炭素および窒素を含んでいる、第1領域、第2領域および第3領域を備え、前記第2領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、前記第1領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きく、かつ前記第3領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きいFurther, a silicon ingot according to another embodiment includes a first region, a second region, and a third region, which are sequentially stacked from the bottom and contain carbon and nitrogen, and the atomic density of carbon in the second region the sum of the sum of the nitrogen atom density, the first much larger than the sum of the atom density of the atomic density and nitrogen atoms in the region, and the third carbon atom density in the region and the nitrogen atom density Bigger than .

さらに、他の一態様に係るシリコンインゴットは、底部から上部方向に向かって、比抵抗値が増加して最大となる領域を有しているシリコンインゴットであって前記底部から前記上部方向に向かって、比抵抗値が増加する傾向を有する第1部位と、比抵抗値が減少する傾向を有するとともに最小の比抵抗値を有する第2部位と、を備え、前記第1部位および前記第2部位がそれぞれ炭素および窒素を含んでおり、前記第1部位における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、前記第2部位における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きいFurther, the silicon ingot according to another aspect, from the bottom toward the top, a silicon ingot having a specific resistance value has an area of maximum increases, toward the upper direction from the bottom A first portion having a tendency of increasing the specific resistance value, and a second portion having a tendency of decreasing the specific resistance value and having a minimum specific resistance value , the first portion and the second portion Each contain carbon and nitrogen, and the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the first part is larger than the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the second part .

上記のシリコンインゴットの製造方法によれば、第1領域からの転位および歪みの伝播が、欠陥が高密度に存在している第2領域で止められるため、第1凝固層上に欠陥が少ない結晶性に優れた領域を形成できる。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットを簡便に製造できる。   According to the above-described silicon ingot manufacturing method, dislocations and strain propagation from the first region are stopped in the second region where the defects are present at high density, so that there are few crystals on the first solidified layer. A region having excellent properties can be formed. Therefore, a silicon ingot having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily produced.

上記のシリコンインゴットによれば、シリコンインゴットを製造する際に、欠陥が少ない結晶性に優れた領域を形成することができる。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットを提供できる。   According to the above silicon ingot, a region having excellent crystallinity with few defects can be formed when the silicon ingot is manufactured. Accordingly, a silicon ingot having a region with few defects and excellent crystallinity can be provided.

図1は、シリコンインゴットの製造装置の一構成例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a silicon ingot manufacturing apparatus. 図2は、冷却板の動作の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of the operation of the cooling plate. 図3は、シリコンインゴットの製造工程の流れを例示するフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart illustrating the flow of the manufacturing process of the silicon ingot. 図4は、鋳型の内壁に離型材が塗布された状態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which a release material is applied to the inner wall of the mold. 図5は、坩堝内に原料シリコンが充填された状態を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which raw material silicon is filled in the crucible. 図6は、鋳型の予熱と原料シリコンの加熱が行われる様子を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing how the mold is preheated and the raw silicon is heated. 図7は、シリコン融液が断続的に供給される様子を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing how the silicon melt is intermittently supplied. 図8は、鋳型内の底部上に初期凝固層が形成される様子を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing how the initial solidified layer is formed on the bottom in the mold. 図9は、初期凝固層の形成態様の一例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the formation mode of the initial solidified layer. 図10は、初期凝固層の形成態様の一例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the formation mode of the initial solidified layer. 図11は、初期凝固層の構成を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of the initial solidified layer. 図12は、初期凝固層の形成態様の一例を示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of the formation mode of the initial solidified layer. 図13は、初期凝固層上に融液層が形成される様子を示す断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing how the melt layer is formed on the initial solidified layer. 図14は、シリコン融液が連続的に供給される様子を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing how the silicon melt is continuously supplied. 図15は、冷却板を鋳型保持部に当接した状態を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state in which the cooling plate is in contact with the mold holding portion. 図16は、シリコン融液が一方向に凝固する様子を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing how the silicon melt is solidified in one direction. 図17は、シリコンインゴットの構成を示す上面図である。FIG. 17 is a top view showing the configuration of the silicon ingot. 図18は、シリコンインゴットの構成を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the silicon ingot. 図19は、シリコンインゴットにおける炭素および窒素の原子密度を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the atomic density of carbon and nitrogen in a silicon ingot. 図20は、シリコンインゴットにおける高さとρb値との関係を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the relationship between the height and the ρb value in a silicon ingot. 図21は、シリコンインゴットにおける高さとEPDとの関係を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the relationship between height and EPD in a silicon ingot. 図22は、光電変換素子の受光面の外観を示す平面図である。FIG. 22 is a plan view showing the appearance of the light receiving surface of the photoelectric conversion element. 図23は、光電変換素子の非受光面の外観を示す平面図である。FIG. 23 is a plan view showing the appearance of the non-light-receiving surface of the photoelectric conversion element. 図24は、図22および図23にて一点鎖線XXIV−XXIVで示した位置における断面を示す図である。24 is a diagram showing a cross section at the position indicated by the alternate long and short dash line XXIV-XXIV in FIGS. 22 and 23. 図25は、シリコンインゴットにおける高さと光電変換素子における変換効率との関係を示す図である。FIG. 25 is a diagram illustrating the relationship between the height of the silicon ingot and the conversion efficiency of the photoelectric conversion element. 図26は、シリコンインゴットの製造工程の流れを例示するフローチャートである。FIG. 26 is a flowchart illustrating the flow of the manufacturing process of the silicon ingot. 図27(a),(b)は、それぞれシリコンインゴットにおける固化率と比抵抗値との関係を示す図である。FIGS. 27A and 27B are diagrams showing the relationship between the solidification rate and the specific resistance value in the silicon ingot, respectively. 図28(a),(b)は、それぞれシリコンインゴットにおける固化率とドーパント濃度との関係を示す図である。FIGS. 28A and 28B are diagrams showing the relationship between the solidification rate and the dopant concentration in the silicon ingot, respectively.

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、図面において同様な構成および機能を有する部分については同一符号が付されている。また、図面は模式的に示されたものであり、装置等は簡略化して図示されている。また、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は適宜変更され得る。また、図1、図2および図4から図18には、シリコンインゴットの製造装置の上方向(図1の図面視上方向)を+Z方向とする右手系のXYZ座標系が付されている。図2、図6から図8および図13から図16では、冷却板123の動きが黒塗りの矢印で示されており、熱の移動が白抜きの矢印で示されており、加熱による熱の付与が斜線のハッチングが付された矢印で示されている。図7および図9では、シリコン融液MS1の液滴が落下する方向が太線の矢印で示されている。図9から図12および図16では、シリコン融液MS1の凝固が進行する様子が太い破線の矢印で示されている。図2、図4から図8、図13から図16においては、図1に示されたヒーター等の外形の一部をあらわす破線が省略されている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, parts having the same configuration and function are denoted by the same reference numerals. Further, the drawings are schematically shown, and the apparatus and the like are illustrated in a simplified manner. In addition, the size and positional relationship of various structures in each drawing can be changed as appropriate. 1, 2, and FIGS. 4 to 18 have a right-handed XYZ coordinate system in which the upward direction of the silicon ingot manufacturing apparatus (the upward direction in the drawing of FIG. 1) is the + Z direction. 2, FIG. 6 to FIG. 8 and FIG. 13 to FIG. 16, the movement of the cooling plate 123 is indicated by black arrows, and the movement of heat is indicated by white arrows. The grant is indicated by the hatched arrows. 7 and 9, the direction in which the droplet of the silicon melt MS1 falls is indicated by a thick arrow. In FIGS. 9 to 12 and FIG. 16, the solidification of the silicon melt MS <b> 1 proceeds with a thick broken arrow. In FIGS. 2, 4 to 8, and 13 to 16, a broken line representing a part of the outer shape of the heater or the like shown in FIG. 1 is omitted.

<(1)実施形態1>
<(1−1)シリコンインゴットの製造装置>
図1に示すように、シリコンインゴットを製造する製造装置100は、上部ユニット110、下部ユニット120および制御部130を備えている。
<(1) Embodiment 1>
<(1-1) Silicon Ingot Manufacturing Equipment>
As shown in FIG. 1, a manufacturing apparatus 100 that manufactures a silicon ingot includes an upper unit 110, a lower unit 120, and a control unit 130.

上部ユニット110は、坩堝111、坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sを備えている。下部ユニット120は、鋳型121、鋳型保持部122、冷却板123、回転軸124、鋳型上部ヒーターH2u、下部ヒーターH2lおよび測温部CH1,CH2を備えている。坩堝111および鋳型121の素材は、シリコンの融点以上の温度において、溶融、変形および分解等が生じ難く、さらにシリコンとの反応が生じ難く、不純物が低減されたものであればよい。   The upper unit 110 includes a crucible 111, a crucible upper heater H1u, and a side heater H1s. The lower unit 120 includes a mold 121, a mold holding part 122, a cooling plate 123, a rotating shaft 124, a mold upper heater H2u, a lower heater H2l, and temperature measuring parts CH1 and CH2. The material of the crucible 111 and the mold 121 may be any material as long as it does not easily melt, deform, decompose, etc., and does not easily react with silicon at a temperature equal to or higher than the melting point of silicon.

坩堝111は、本体部111b、上部開口部111uo、内部空間111iおよび下部開口部111boを備えている。本体部111bは、全体が有底の略円筒形状のものである。なお、坩堝111の素材は、例えば石英硝子等であればよい。坩堝上部ヒーターH1uは、上部開口部111uoの真上において平面視で円環状に配されている。側部ヒーターH1sは、本体部111bを側方から囲むように平面視で円環状に配されている。   The crucible 111 includes a main body 111b, an upper opening 111uo, an internal space 111i, and a lower opening 111bo. The main body 111b has a generally cylindrical shape with a bottom. The material of the crucible 111 may be, for example, quartz glass. The crucible upper heater H1u is arranged in an annular shape in plan view just above the upper opening 111uo. The side heater H1s is arranged in an annular shape in plan view so as to surround the main body 111b from the side.

ここで、シリコンインゴットの製造時には、坩堝111の内部空間111iに、例えば、上部開口部111uoからシリコンインゴットの原料である固体状態の複数のシリコンの塊(以下、原料シリコン)が充填される。なお、この原料シリコンは粉末状態のものを含んでいてもよい。この内部空間111iに充填された原料シリコンは、坩堝上部ヒーターH1u,H2uおよび側部ヒーターH1sによる加熱によって溶融される。そして、例えば、内部空間111i内の溶融したシリコン(シリコン融液)が、下部開口部111boを介して下部ユニット120の鋳型121に向けて供給される。なお、坩堝111に下部開口部111boが設けられず、坩堝111が傾斜されることで、坩堝111内からシリコン融液が鋳型121に向けて注がれる構成が採用されてもよい。   Here, at the time of manufacturing the silicon ingot, the inner space 111i of the crucible 111 is filled with a plurality of solid silicon lumps (hereinafter referred to as raw material silicon) that are raw materials of the silicon ingot, for example, from the upper opening 111uo. In addition, this raw material silicon | silicone may contain the thing of a powder state. The raw material silicon filled in the internal space 111i is melted by heating with the crucible upper heaters H1u and H2u and the side heater H1s. Then, for example, molten silicon (silicon melt) in the internal space 111i is supplied toward the mold 121 of the lower unit 120 through the lower opening 111bo. A configuration may be employed in which the crucible 111 is not provided with the lower opening 111bo, and the silicon melt is poured from the crucible 111 toward the mold 121 by tilting the crucible 111.

鋳型121は、全体が有底の筒形状のものである。具体的には、鋳型121は、底部121b、側壁部121s、内部空間121iおよび鋳型121の上部に配されている上部開口部121oを備えている。底部121bおよび上部開口部121oは、例えば略正方形状であればよい。そして、底部121bおよび上部開口部121oの一辺は、例えば、300mm以上で且つ800mm以下程度であればよい。上部開口部121oは、坩堝111から内部空間121i内へのシリコン融液の供給を受け付ける。ここで、側壁部121sおよび底部121bの素材としては、例えば、シリカまたはカーボン等が採用され得る。側壁部121sは、さらに、例えば、炭素繊維強化炭素複合材料等、および断熱材としてのフェルト等と組み合わされることで形成されてもよい。   The mold 121 has a bottomed cylindrical shape as a whole. Specifically, the mold 121 includes a bottom part 121b, a side wall part 121s, an internal space 121i, and an upper opening part 121o arranged on the upper part of the mold 121. The bottom 121b and the upper opening 121o may be, for example, a substantially square shape. And one side of bottom 121b and upper opening 121o should just be 300 mm or more and about 800 mm or less, for example. The upper opening 121o accepts supply of silicon melt from the crucible 111 into the internal space 121i. Here, as a material of the side wall part 121s and the bottom part 121b, for example, silica or carbon may be employed. The side wall 121s may be formed by being combined with, for example, a carbon fiber reinforced carbon composite material, a felt as a heat insulating material, or the like.

また、図1に示すように、鋳型上部ヒーターH2uは、鋳型121の上部開口部121oの真上において円環状に配されている。下部ヒーターH2lは、鋳型121の側壁部121sの+Z方向における下部から上部にかけた部分を側方から囲むように円環状に配されている。下部ヒーターH2lは、複数の領域に分割されて、各領域の温度が独立して制御される構成を有していてもよい。   As shown in FIG. 1, the mold upper heater H <b> 2 u is arranged in an annular shape directly above the upper opening 121 o of the mold 121. The lower heater H2l is arranged in an annular shape so as to surround a portion from the lower part to the upper part in the + Z direction of the side wall part 121s of the mold 121 from the side. Lower heater H2l may be divided into a plurality of regions, and the temperature of each region may be controlled independently.

鋳型保持部122は、鋳型121を下方から保持するものであり、鋳型121の下面と密着している。鋳型保持部122の素材は、例えば、グラファイト等の伝熱性の高い材料であればよく、さらに鋳型121の側壁部121sとの間に断熱部(不図示)を備えていてもよい。この場合、側壁部121sよりも底部121bから冷却板123に優先的に熱が伝えられ得る。断熱部の素材は、例えばフェルト等であればよい。   The mold holding unit 122 holds the mold 121 from below and is in close contact with the lower surface of the mold 121. The material of the mold holding part 122 may be a material having high heat conductivity such as graphite, and may further include a heat insulating part (not shown) between the side wall part 121 s of the mold 121. In this case, heat can be preferentially transmitted from the bottom 121b to the cooling plate 123 rather than the side wall 121s. The material of the heat insulating part may be, for example, felt.

冷却板123は、図2に示すように、回転軸124の回転によって上昇し、鋳型保持部122の下面に接触する。冷却板123としては、例えば、中空の金属板等の内部に水あるいはガスが循環する構造のものであればよい。シリコンインゴットの製造時には、内部空間121iにシリコン融液MS1が充填された状態で、冷却板123が鋳型保持部122の下面に接触することで、シリコン融液MS1から鋳型保持部122を介して冷却板123に熱が伝えられる抜熱が行われる。つまり、シリコン融液MS1が冷却板123によって底部121b側から冷却される。   As shown in FIG. 2, the cooling plate 123 rises by the rotation of the rotating shaft 124 and contacts the lower surface of the mold holding unit 122. For example, the cooling plate 123 may have a structure in which water or gas circulates inside a hollow metal plate or the like. When the silicon ingot is manufactured, the cooling plate 123 comes into contact with the lower surface of the mold holding part 122 in a state where the internal space 121i is filled with the silicon melt MS1, thereby cooling from the silicon melt MS1 via the mold holding part 122. Heat removal is performed so that heat is transmitted to the plate 123. That is, the silicon melt MS1 is cooled from the bottom 121b side by the cooling plate 123.

測温部CH1,CH2は、温度を計測するための部分である。測温部CH1,CH2は、例えば、アルミナ製の細い管で被覆された熱電対等によって温度に係る測定が可能であり、図示を省略する温度検知部において、各測温部CH1,CH2において生じる電圧に応じた温度が検出される。   The temperature measuring parts CH1 and CH2 are parts for measuring the temperature. The temperature measuring units CH1 and CH2 can measure the temperature with a thermocouple or the like covered with a thin tube made of alumina, for example. In the temperature detection unit (not shown), the voltage generated in each temperature measuring unit CH1 and CH2 A temperature corresponding to is detected.

ここで、測温部CH1は、下部ヒーターH2lの近傍に配されている。測温部CH2は、鋳型121の底部121bの中央部の下面付近に配されている。   Here, the temperature measuring unit CH1 is arranged in the vicinity of the lower heater H2l. The temperature measuring part CH2 is arranged near the lower surface of the central part of the bottom 121b of the mold 121.

制御部130は、製造装置100の全体を制御する部分である。制御部130は、例えば、プロセッサおよび記憶部等を有し、記憶部内に格納されているプログラムが、プロセッサによって実行されることで、各種制御が行われるものであればよい。例えば、制御部130によって、坩堝上部ヒーターH1u,H2u、側部ヒーターH1sおよび下部ヒーターH2lの出力が制御される。なお、制御部130では、例えば、各測温部CH1,CH2によって得られる温度および時間の経過のうちの少なくとも一方に応じて、各ヒーターH1s,H1u,H2l,H2uの出力が制御される。   The control unit 130 is a part that controls the entire manufacturing apparatus 100. The control unit 130 includes, for example, a processor, a storage unit, and the like, and may be any unit that performs various controls by executing a program stored in the storage unit by the processor. For example, the controller 130 controls the outputs of the crucible upper heaters H1u and H2u, the side heater H1s, and the lower heater H2l. In addition, in the control part 130, the output of each heater H1s, H1u, H2l, H2u is controlled according to at least one of the temperature obtained by each temperature measuring part CH1, CH2 and the passage of time, for example.

<(1−2)シリコンインゴットの製造方法>
次に、製造装置100が用いられたシリコンインゴットの製造方法について説明する。図3に示すように、本実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、第1〜3工程としてのステップSp1〜Sp3が順に行われることで、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が製造される。
<(1-2) Manufacturing method of silicon ingot>
Next, a method for manufacturing a silicon ingot using the manufacturing apparatus 100 will be described. As shown in FIG. 3, in the method for manufacturing a silicon ingot according to the present embodiment, the steps Sp <b> 1 to Sp <b> 3 as the first to third steps are sequentially performed, so that the silicon ingot has a region with few defects and excellent crystallinity. Ig1 is produced.

本実施形態では、ステップSp1の第1工程では、ステップSp11,Sp12の2工程が順に行われる。また、ステップSp2の第2工程では、ステップSp21〜Sp24の4工程もしくはステップSp21〜Sp25の5工程が順に行われる。さらに、ステップSp3の第3工程では、ステップSp31〜Sp33の3工程が順に行われる。図4から図16では、各工程における鋳型121の状態、鋳型121および坩堝111の双方の状態、もしくはシリコン融液MS1が凝固する態様が模式的に示されている。   In the present embodiment, in the first process of step Sp1, two processes of steps Sp11 and Sp12 are performed in order. Further, in the second process of step Sp2, four processes of steps Sp21 to Sp24 or five processes of steps Sp21 to Sp25 are performed in order. Furthermore, in the third process of step Sp3, the three processes of steps Sp31 to Sp33 are performed in order. 4 to 16 schematically show the state of the mold 121 in each step, the state of both the mold 121 and the crucible 111, or the manner in which the silicon melt MS1 is solidified.

<(1−2−1)第1工程>
ステップSp1では、例えば、図4および図5に示すように、鋳型121および坩堝111の準備が行われる。ここで、第1工程において順に行われるステップSp11,Sp12の2工程について説明する。
<(1-2-1) First step>
In step Sp1, for example, as shown in FIGS. 4 and 5, the mold 121 and the crucible 111 are prepared. Here, two steps of Steps Sp11 and Sp12 performed in order in the first step will be described.

ステップSp11では、鋳型121の準備が行われる。例えば、図4に示すように、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されることで離型材層Mr1が形成される。この離型材層Mr1の存在によって、シリコン融液MS1が凝固する過程における鋳型121の内壁へのシリコンインゴットIg1の融着が低減される。離型材層Mr1の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素のうちの何れか1つまたは2種類以上が混合されたものが採用され得る。離型材層Mr1は、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素の1種類以上を含むスラリーが、鋳型121の内壁に塗布もしくはスプレー等によってコーティングされることで形成され得る。ここで、スラリーは、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素のうちの何れか1つまたは2以上の混合物の粉末が、PVA(ポリビニルアルコール)等の有機バインダと溶剤とを主に含む溶液中に混合されたものが攪拌されることで形成され得る。   In step Sp11, the mold 121 is prepared. For example, as shown in FIG. 4, a release material layer Mr <b> 1 is formed by applying a release material to the inner wall surface of the mold 121. Due to the presence of the release material layer Mr1, fusion of the silicon ingot Ig1 to the inner wall of the mold 121 during the process of solidifying the silicon melt MS1 is reduced. As a material of the release material layer Mr1, for example, one of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide or a mixture of two or more types may be employed. The release material layer Mr1 can be formed, for example, by coating a slurry containing one or more of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide on the inner wall of the mold 121 by application or spraying. Here, the slurry is, for example, in a solution in which the powder of any one or a mixture of two or more of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide mainly contains an organic binder such as PVA (polyvinyl alcohol) and a solvent. It can be formed by stirring the mixture.

ステップSp12では、坩堝111の準備が行われる。例えば、図5に示すように、坩堝111の内部空間111iに原料シリコンPS1が導入される。このとき、例えば、坩堝111内の下部の領域から上部の領域に向けて原料シリコンPS1が充填されればよい。また、例えば、シリコンインゴットにおいてドーパントとなる元素が原料シリコンPS1に含有されていればよい。ここで、原料シリコンPS1は、例えば、シリコンインゴットの原料としてのポリシリコンの塊であればよい。このポリシリコンの塊は、例えば、比較的細かいブロック状のシリコンの塊であればよい。なお、p型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、ホウ素およびガリウム等であればよい。n型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、リン等であればよい。   In step Sp12, the crucible 111 is prepared. For example, as shown in FIG. 5, the raw material silicon PS <b> 1 is introduced into the internal space 111 i of the crucible 111. At this time, for example, the raw material silicon PS1 may be filled from the lower region in the crucible 111 toward the upper region. Further, for example, an element that becomes a dopant in the silicon ingot may be contained in the raw material silicon PS1. Here, the raw material silicon PS1 may be a lump of polysilicon as a raw material of a silicon ingot, for example. The polysilicon lump may be a relatively fine block lump of silicon, for example. In the case where a p-type silicon ingot is manufactured, the dopant element may be, for example, boron or gallium. When an n-type silicon ingot is manufactured, the element serving as a dopant may be, for example, phosphorus.

なお、第2工程が開始される前に、鋳型保持部122の下面に冷却板123が当接していない状態に設定される。   In addition, before the 2nd process is started, it sets to the state in which the cooling plate 123 is not contact | abutting to the lower surface of the casting_mold | template holding part 122. FIG.

<(1−2−2)第2工程>
ステップSp2では、図6から図8に示すように、鋳型121内に第1シリコン融液であるシリコン融液MS1が供給され、このシリコン融液MS1が鋳型121内の底部121b上において凝固される。これにより、初期凝固層(第1凝固層)PS2が形成される。ここで、第2工程において順に行われるステップSp21〜Sp24の4工程について説明する。
<(1-2-2) Second step>
In step Sp2, as shown in FIGS. 6 to 8, the silicon melt MS1 as the first silicon melt is supplied into the mold 121, and the silicon melt MS1 is solidified on the bottom 121b in the mold 121. . Thereby, the initial solidified layer (first solidified layer) PS2 is formed. Here, four steps of Steps Sp21 to Sp24 performed in order in the second step will be described.

ステップSp21では、鋳型121の予熱が開始される。例えば、図6に示すように、鋳型121の上方および側方に配置された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、シリコンの融点に近い温度まで鋳型121が予熱されればよい。   In step Sp21, preheating of the mold 121 is started. For example, as shown in FIG. 6, the mold 121 may be preheated to a temperature close to the melting point of silicon by a mold upper heater H2u and a lower heater H2l disposed above and to the side of the mold 121.

ステップSp22では、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始される。例えば、図6に示すように、坩堝111の上方および側方に配置された坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって加熱される。これにより、原料シリコンPS1が、融点を超える1414℃以上で且つ1550℃以下程度の温度域まで加熱され、徐々に溶融する。このとき、坩堝111内の原料シリコンPS1のうちの下部開口部111boの近傍に配されている部分については、鋳型121の上方に配置された鋳型上部ヒーターH2uによっても加熱される。このため、下部開口部111boの近傍に配されている原料シリコンPS1は、溶融され易い。   In Step Sp22, heating of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is started. For example, as shown in FIG. 6, the crucible 111 is heated by the crucible upper heater H1u and the side heater H1s disposed above and on the side of the crucible 111. Thereby, the raw material silicon PS1 is heated to a temperature range of 1414 ° C. or higher and 1550 ° C. or lower exceeding the melting point, and gradually melts. At this time, the portion of the raw silicon PS1 in the crucible 111 that is disposed near the lower opening 111bo is also heated by the upper mold heater H2u disposed above the mold 121. For this reason, the raw material silicon PS1 disposed in the vicinity of the lower opening 111bo is easily melted.

なお、ここでは、鋳型121の予熱が開始された後に、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始されたが、これに限られない。例えば、鋳型121の予熱と、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱とが、同時に開始されてもよいし、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始された後に、鋳型121の予熱が開始されてもよい。   Here, heating of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is started after the preheating of the mold 121 is started, but the present invention is not limited to this. For example, the preheating of the mold 121 and the heating of the raw silicon PS1 in the crucible 111 may be started simultaneously, or after the heating of the raw silicon PS1 in the crucible 111 is started, the preheating of the mold 121 is started. May be.

ステップSp23では、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が供給される。このとき、シリコン融液MS1が、鋳型121内の底部121b上を覆っている状態が実現されればよい。このような状態は、例えば、坩堝111内の一部の原料シリコンPS1が溶融されて、坩堝111から鋳型121内にシリコン融液MS1が供給されることで実現され得る。ここでは、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給は、連続的なものであってもよいし、断続的なものであってもよい。但し、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が断続的に供給されれば、ステップSp12で坩堝111内に充填された原料シリコンPS1の一部に対応するシリコン融液MS1が、鋳型121の底部121bを覆っている状態が容易に実現され得る。これにより、後述する初期凝固層PS2が容易に形成され得る。   In step Sp23, the silicon melt MS1 is supplied from the crucible 111 into the mold 121. At this time, it is only necessary to realize a state where the silicon melt MS1 covers the bottom 121b in the mold 121. Such a state can be realized, for example, by melting a part of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 and supplying the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121. Here, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 may be continuous or intermittent. However, if the silicon melt MS1 is intermittently supplied from the crucible 111 into the mold 121, the silicon melt MS1 corresponding to a part of the raw material silicon PS1 filled in the crucible 111 in step Sp12 becomes the mold 121. A state of covering the bottom 121b can be easily realized. Thereby, the initial solidified layer PS2 described later can be easily formed.

なお、シリコン融液MS1の連続的な供給とは、シリコン融液MS1の供給が殆ど途切れることなく生じることを意味している。また、シリコン融液MS1の断続的な供給とは、不規則なタイミングで、シリコン融液MS1の供給の実施と中断とが生じることを意味している。   Note that the continuous supply of the silicon melt MS1 means that the supply of the silicon melt MS1 occurs almost without interruption. Further, the intermittent supply of the silicon melt MS1 means that the supply and interruption of the supply of the silicon melt MS1 occur at irregular timings.

シリコン融液MS1の断続的な供給は、例えば、図7に示すように、坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が下部開口部111boを介して鋳型121内に供給されることで実現され得る。ここでは、例えば、坩堝111内において下部開口部111boの近傍に配されている原料シリコンPS1が、坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sに加えて、鋳型121の上方に配されている鋳型上部ヒーターH2uによっても加熱される。これにより、例えば、坩堝111内において下部開口部111boの近傍に配されている原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が、下部開口部111boを介して鋳型121内に供給され得る。   For example, as shown in FIG. 7, the silicon melt MS1 is intermittently supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo every time the raw material silicon PS1 is melted in the crucible 111. It can be realized by being supplied. Here, for example, the raw material silicon PS1 disposed in the vicinity of the lower opening 111bo in the crucible 111 is a mold upper heater disposed above the mold 121 in addition to the crucible upper heater H1u and the side heater H1s. It is also heated by H2u. Thereby, for example, whenever the raw material silicon PS1 disposed in the vicinity of the lower opening 111bo in the crucible 111 is melted, the silicon melt MS1 can be supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo. .

ステップSp24では、ステップSp23で鋳型121内に供給されたシリコン融液MS1が凝固されることで、鋳型121内の底部121b上に初期凝固層PS2が形成される。ここでは、図8に示すように、鋳型121内の底部121b上を覆うシリコン融液MS1が急速に凝固することで、鋳型121内の底部121b上を覆うように初期凝固層PS2が形成されればよい。   In step Sp24, the silicon melt MS1 supplied into the mold 121 in step Sp23 is solidified, whereby an initial solidified layer PS2 is formed on the bottom 121b in the mold 121. Here, as shown in FIG. 8, the silicon melt MS1 that covers the bottom 121b in the mold 121 rapidly solidifies, so that the initial solidified layer PS2 is formed to cover the bottom 121b in the mold 121. That's fine.

例えば、図9および図10に示すように、シリコン融液MS1の底部121b側の領域(下部領域)MS1bの凝固が十分進行する前に、シリコン融液MS1の上面を成す上面近傍の領域(上面領域)MS1uが急速に凝固されればよい。そして、その後に、図11および図12に示すように、シリコン融液MS1の下部領域MS1bの凝固が進行することで、初期凝固層PS2が形成されればよい。   For example, as shown in FIGS. 9 and 10, before the solidification of the region (lower region) MS1b on the bottom 121b side of the silicon melt MS1 sufficiently proceeds, the region (upper surface) near the upper surface forming the upper surface of the silicon melt MS1. Region) MS1u only needs to be rapidly solidified. Then, as shown in FIGS. 11 and 12, the initial solidified layer PS2 may be formed by the solidification of the lower region MS1b of the silicon melt MS1 progressing.

初期凝固層PS2は、図12に示すように、下部領域MS1bの凝固によって得られる第1領域Ar1と、上面領域MS1uが凝固することで得られ且つ第1領域Ar1上に配されている第2領域Ar2とを有している。   As shown in FIG. 12, the initial solidified layer PS2 is obtained by solidifying the first region Ar1 obtained by solidification of the lower region MS1b and the upper surface region MS1u, and is disposed on the first region Ar1. And has a region Ar2.

ここで、第2領域Ar2については、シリコン融液MS1の上面領域MS1uの急速な凝固によって、特に欠陥の密度が上昇する。このため、例えば、第2領域Ar2における欠陥の密度は、第1領域Ar1における欠陥の密度よりも大きくなる。つまり、例えば、第1領域Ar1の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第1密度)よりも、第2領域Ar2の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第2密度)が高くなる。この場合、下部領域MS1bが凝固することで、第1領域Ar1が形成される際には、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、欠陥が高密度に存在している第2領域Ar2で止められる。なお、シリコンインゴットが冷却される際に第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播も、欠陥が高密度に存在している第2領域Ar2で止められる。   Here, in the second region Ar2, the density of defects particularly increases due to rapid solidification of the upper surface region MS1u of the silicon melt MS1. For this reason, for example, the density of defects in the second region Ar2 is larger than the density of defects in the first region Ar1. That is, for example, the density of defects that can become etch pits by the etching process in the cross section of the second region Ar2 (second density) is higher than the density of defects that can become etch pits by the etching process in the cross section of the first area Ar1 (second density). ) Becomes higher. In this case, when the first region Ar1 is formed by the solidification of the lower region MS1b, dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 are caused by the second region Ar2 in which defects exist at high density. Can be stopped. Note that dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 when the silicon ingot is cooled are also stopped in the second region Ar2 where defects exist at high density.

なお、ここでいう欠陥は、第1および第2領域Ar1,Ar2の各断面におけるエッチング処理によって、エッチピットとなり得る転位等の欠陥であればよい。エッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度は、例えば、本製造方法によって製造されるシリコンインゴットIg1の第1および第2領域Ar1,Ar2の各断面について、エッチング処理が施された後に顕微鏡を用いた観察によって確認される。例えば、観察対象領域において計測されるエッチピットの数を観察対象領域の面積で除することで導出されるエッチピットの密度(EPD)が、エッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度とされればよい。エッチング処理は、例えば、シリコンの板(シリコン板)に、鏡面仕上げ用のエッチング(ミラーエッチング)、および結晶欠陥を顕在化させるためのエッチング(選択エッチング)を順に施す処理であればよい。   In addition, the defect here should just be defects, such as a dislocation which can become an etch pit by the etching process in each cross section of 1st and 2nd area | region Ar1, Ar2. The density of defects that can become etch pits by the etching process is determined by, for example, using a microscope after the etching process is performed on each cross section of the first and second regions Ar1 and Ar2 of the silicon ingot Ig1 manufactured by this manufacturing method. Confirmed by observation. For example, if the etch pit density (EPD) derived by dividing the number of etch pits measured in the observation target area by the area of the observation target area is the density of defects that can become etch pits by the etching process. Good. The etching process may be, for example, a process in which a silicon plate (silicon plate) is sequentially subjected to mirror finishing etching (mirror etching) and etching (selective etching) for revealing crystal defects.

より具体的には、エッチング処理は、例えば、バンドソーによってシリコンインゴットIg1からXZ平面に沿って薄切りにされて得られるシリコン板に対して、ミラーエッチングおよび選択エッチングが順に行われる処理であればよい。ミラーエッチングは、例えば、シリコン板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬、水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥が順に施される処理であればよい。なお、フッ硝酸溶液は、例えば、70質量%硝酸と50質量%フッ酸とが7:2の割合で混合されることで生成されればよい。フッ酸水溶液は、例えば、純水と50質量%フッ酸とが20:1の割合で混合されることで生成されればよい。また、選択エッチングは、例えば、シリコン板に対して、JIS規格H0609に記載の選択エッチング液への5分間の浸漬、水洗および乾燥が順に施される処理であればよい。JIS規格H0609に記載の選択エッチング液は、例えば、70質量%硝酸と99質量%酢酸と50質量%フッ酸と純水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合された溶液であればよい。   More specifically, the etching process may be, for example, a process in which mirror etching and selective etching are sequentially performed on a silicon plate obtained by being sliced along the XZ plane from the silicon ingot Ig1 with a band saw. The mirror etching may be, for example, a process in which a silicon plate is sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. In addition, the hydrofluoric acid solution should just be produced | generated by mixing 70 mass% nitric acid and 50 mass% hydrofluoric acid in the ratio of 7: 2, for example. The hydrofluoric acid aqueous solution may be generated, for example, by mixing pure water and 50% by mass hydrofluoric acid at a ratio of 20: 1. Further, the selective etching may be, for example, a process in which a silicon plate is sequentially subjected to 5-minute immersion in a selective etching solution described in JIS standard H0609, water washing, and drying. In the selective etching solution described in JIS standard H0609, for example, 70% by mass nitric acid, 99% by mass acetic acid, 50% by mass hydrofluoric acid and pure water are mixed at a ratio of 1: 12.7: 3: 3.7. Any solution may be used.

また、本ステップSp24では、上面領域MS1uにおいて炭素および窒素が多く存在していれば、上面領域MS1uが急速に凝固される。このとき、例えば、第1領域Ar1における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも、第2領域Ar2における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が大きくなる。そして、この場合、下部領域MS1bが凝固することで第1領域Ar1が形成される際には、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、炭素および/または窒素の存在によって欠陥の密度が高まっている第2領域Ar2で止められる。なお、シリコンインゴットが冷却される際に第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播も、欠陥が高密度に存在している第2領域Ar2で止められる。   Further, in this step Sp24, if a large amount of carbon and nitrogen is present in the upper surface region MS1u, the upper surface region MS1u is rapidly solidified. At this time, for example, the sum of the carbon atom density and the nitrogen atom density in the second region Ar2 becomes larger than the sum of the carbon atom density and the nitrogen atom density in the first region Ar1. In this case, when the first region Ar1 is formed by the solidification of the lower region MS1b, dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 are caused by the presence of carbon and / or nitrogen. It is stopped at the rising second region Ar2. Note that dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 when the silicon ingot is cooled are also stopped in the second region Ar2 where defects exist at high density.

ここで、上面領域MS1uが凝固する前に、シリコン融液MS1の上面領域MS1uにおいて、炭素および窒素の少なくとも一方の原子密度が高まっていれば、シリコンの温度が凝固点を下回っていても凝固しない現象(いわゆる組成的過冷却)が生じる。このため、離型材層Mr1が、炭素および窒素の少なくとも一方を含有していれば、上記組成的過冷却が生じ易くなる。また、このような組成的過冷却が生じている上面領域MS1uは、例えば、物理的な刺激の付与に応じて急速に凝固する。   Here, if the atomic density of at least one of carbon and nitrogen is increased in the upper surface region MS1u of the silicon melt MS1 before the upper surface region MS1u is solidified, it does not solidify even if the silicon temperature is below the freezing point. (So-called compositional supercooling) occurs. For this reason, if the release material layer Mr1 contains at least one of carbon and nitrogen, the compositional supercooling is likely to occur. Further, the upper surface region MS1u in which such compositional supercooling occurs rapidly solidifies in accordance with, for example, the application of a physical stimulus.

なお、炭素および窒素の原子密度は、例えば、第1および第2領域Ar1,Ar2の各断面を対象とした、二次イオン質量分析(SIMS:Secondary Ion Mass Spectrometry)によって計測される。上面領域MS1uに付与される物理的な刺激としては、例えば、坩堝111から上面領域MS1uへのシリコン融液MS1の滴下による衝撃、および上面領域MS1uのうちの鋳型121の側壁部121sに接する部分における凝固等が挙げられる。このため、例えば、ステップSp23における坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給が断続的なものであれば、ステップSp24における上面領域MS1uの急速な凝固が容易に実現される。   The atomic density of carbon and nitrogen is measured by, for example, secondary ion mass spectrometry (SIMS) for each cross section of the first and second regions Ar1 and Ar2. As physical stimulation applied to the upper surface region MS1u, for example, an impact caused by dripping the silicon melt MS1 from the crucible 111 onto the upper surface region MS1u, and a portion of the upper surface region MS1u in contact with the sidewall 121s of the mold 121 Examples include coagulation. Therefore, for example, if the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 to the mold 121 in Step Sp23 is intermittent, rapid solidification of the upper surface region MS1u in Step Sp24 is easily realized.

なお、ステップSp2では、初期凝固層PS2を形成するステップSp24の後に、図13に示すように、鋳型121内の初期凝固層PS2上にシリコン融液MS1の層(シリコン融液層)MS1Lが形成されるステップSp25が実行されてもよい。シリコン融液層MS1Lは、例えば、初期凝固層PS2の上面を覆う溶融状態のシリコン融液MS1の層であればよい。このシリコン融液層MS1Lは、例えば、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が断続的に供給されることで形成される。シリコン融液MS1の断続的な供給は、例えば、図13に示すように、坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が下部開口部111boを介して鋳型121内に供給されることで実現され得る。   In step Sp2, after step Sp24 for forming the initial solidified layer PS2, a layer (silicon melt layer) MS1L of silicon melt MS1 is formed on the initial solidified layer PS2 in the mold 121 as shown in FIG. Step Sp25 may be executed. The silicon melt layer MS1L may be, for example, a layer of the molten silicon melt MS1 that covers the upper surface of the initial solidified layer PS2. The silicon melt layer MS1L is formed, for example, by intermittently supplying the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121. For example, as shown in FIG. 13, the silicon melt MS1 is intermittently supplied every time the raw material silicon PS1 is melted in the crucible 111, into the mold 121 through the lower opening 111bo. It can be realized by being supplied.

<(1−2−3)第3工程>
ステップSp3では、鋳型121内の初期凝固層PS2上に第2シリコン融液であるシリコン融液MS1が供給され、このシリコン融液MS1が初期凝固層PS2から上方に向かって一方向に凝固される。つまり、初期凝固層PS2上において、シリコン融液MS1が、底部121bから上方に向かう一方向への凝固(一方向凝固)を生じる。これにより、初期凝固層PS2上に第3領域Ar3を有する第2凝固層が形成されることで、シリコンインゴットIg1が形成される。ここで、第3工程において順に行われるステップSp31〜Sp33の3工程について説明する。
<(1-2-3) Third step>
In step Sp3, the silicon melt MS1 as the second silicon melt is supplied onto the initial solidified layer PS2 in the mold 121, and the silicon melt MS1 is solidified in one direction upward from the initial solidified layer PS2. . That is, on the initial solidified layer PS2, the silicon melt MS1 is solidified in one direction (one-directional solidification) upward from the bottom 121b. Thereby, the silicon solid ingot Ig1 is formed by forming the second solidified layer having the third region Ar3 on the initial solidified layer PS2. Here, three steps of Steps Sp31 to Sp33 performed in order in the third step will be described.

ステップSp31では、鋳型121内の初期凝固層PS2上にシリコン融液MS1が供給される。これにより、図14に示すように、鋳型121内において、初期凝固層PS2上にシリコン融液MS1が貯留された状態となる。そして、坩堝111から鋳型121へのシリコン融液MS1の供給が終了される。例えば、坩堝111内の殆ど全ての原料シリコンPS1が溶融されて、シリコン融液MS1として、鋳型121内に供給されればよい。   In step Sp31, the silicon melt MS1 is supplied onto the initial solidified layer PS2 in the mold 121. Thereby, as shown in FIG. 14, in the mold 121, the silicon melt MS1 is stored on the initial solidified layer PS2. Then, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 to the mold 121 is completed. For example, almost all the raw material silicon PS1 in the crucible 111 may be melted and supplied into the mold 121 as the silicon melt MS1.

なお、ここでは、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給は、連続的なものであってもよいし、断続的なものであってもよい。但し、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が連続的に供給されれば、シリコン融液MS1が鋳型121内に迅速に供給される。その結果、シリコンインゴットIg1が迅速に製造され得る。なお、この場合、上記ステップSp25が実行されることで、初期凝固層PS2上にシリコン融液層MS1Lが形成されていれば、シリコン融液MS1の供給が連続的なものであっても、初期凝固層PS2が高温のシリコン融液MS1の供給によって急加熱され難い。その結果、初期凝固層PS2の溶解および破壊が生じ難いため、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が製造され得る。   Here, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 may be continuous or intermittent. However, if the silicon melt MS1 is continuously supplied from the crucible 111 into the mold 121, the silicon melt MS1 is rapidly supplied into the mold 121. As a result, the silicon ingot Ig1 can be manufactured quickly. In this case, if the silicon melt layer MS1L is formed on the initial solidified layer PS2 by executing Step Sp25, even if the supply of the silicon melt MS1 is continuous, The solidified layer PS2 is not easily heated rapidly by the supply of the high-temperature silicon melt MS1. As a result, since the initial solidified layer PS2 hardly dissolves and breaks down, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be manufactured.

ステップSp32では、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当yさせる。これにより、鋳型121内のシリコン融液MS1から鋳型保持部122を介した冷却板123への抜熱が開始される。ここでは、例えば、図15に示すように、初期凝固層PS2上にシリコン融液MS1が貯留されている状態において、冷却板123による底部121b側からのシリコン融液MS1の冷却が開始される。鋳型保持部122の下面への冷却板123の当接の直前には、例えば、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの出力が低減されればよい。なお、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当接させるタイミングは、坩堝111内の全ての原料シリコンPS1が溶融されて、シリコン融液MS1として鋳型121内に供給された後のタイミングであればよい。   In step Sp32, the cooling plate 123 is abutted against the lower surface of the mold holder 122. Thereby, heat removal from the silicon melt MS1 in the mold 121 to the cooling plate 123 via the mold holding unit 122 is started. Here, for example, as shown in FIG. 15, in the state where the silicon melt MS1 is stored on the initial solidified layer PS2, the cooling of the silicon melt MS1 from the bottom 121b side by the cooling plate 123 is started. Immediately before the cooling plate 123 comes into contact with the lower surface of the mold holding part 122, for example, the outputs of the mold upper heater H2u and the lower heater H2l may be reduced. Note that the timing of bringing the cooling plate 123 into contact with the lower surface of the mold holding part 122 is the timing after all the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is melted and supplied as the silicon melt MS1 into the mold 121. That's fine.

ステップSp33では、鋳型121内のシリコン融液MS1が、初期凝固層PS2から上方に向かう一方向凝固を生じる。ここでは、例えば、図16に示すように、鋳型121内のシリコン融液MS1が底部121b側から冷却されることで、鋳型121内のシリコン融液MS1の一方向凝固が進行する。これにより、初期凝固層PS2の第2領域Ar2上に、図12で外縁が破線で示される第3領域Ar3が形成される。第3領域Ar3は、シリコンの多結晶であればよい。   In Step Sp33, the silicon melt MS1 in the mold 121 is unidirectionally solidified upward from the initial solidified layer PS2. Here, for example, as shown in FIG. 16, unidirectional solidification of the silicon melt MS1 in the mold 121 proceeds by cooling the silicon melt MS1 in the mold 121 from the bottom 121b side. As a result, a third region Ar3 whose outer edge is indicated by a broken line in FIG. 12 is formed on the second region Ar2 of the initial solidified layer PS2. The third region Ar3 may be a polycrystalline silicon.

ここでは、例えば、製造装置100内の測温部CH1,CH2等によって検出される温度に応じて、鋳型121の上方および側方に配置された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの出力が制御される。そして、例えば、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの付近の温度が、シリコンの融点の近傍程度に保持されればよい。これにより、鋳型121の側方からのシリコンの結晶成長が生じ難く、上方としての+Z方向へのシリコンの結晶成長が生じ易い。   Here, for example, the outputs of the upper mold heater H2u and the lower heater H2l arranged above and on the side of the mold 121 are controlled according to the temperature detected by the temperature measuring sections CH1, CH2, etc. in the manufacturing apparatus 100. The For example, the temperature in the vicinity of the mold upper heater H2u and the lower heater H2l only needs to be maintained in the vicinity of the melting point of silicon. Thereby, silicon crystal growth from the side of the mold 121 is difficult to occur, and silicon crystal growth in the + Z direction as the upper side is likely to occur.

そして、シリコン融液MS1の一方向凝固がゆっくりと進行することで、鋳型121内においてシリコンインゴットIg1が製造される。   And silicon ingot Ig1 is manufactured in the casting_mold | template 121 because unidirectional solidification of silicon melt MS1 progresses slowly.

ところで、鋳型121内におけるシリコン融液MS1の凝固の初期段階としての上記ステップSp24において、下部領域MS1bが凝固することで第1領域Ar1が形成される際に、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、第2領域Ar2で止められる。このため、鋳型121内におけるシリコン融液MS1のうちの底部121bに接している部分で生じ易い各種欠陥および歪みによる影響が、第2領域Ar2の存在によって、第3領域Ar3まで波及し難い。   By the way, in the above-mentioned step Sp24 as the initial stage of solidification of the silicon melt MS1 in the mold 121, when the first region Ar1 is formed by solidification of the lower region MS1b, dislocations and strains generated in the first region Ar1. Is stopped in the second region Ar2. For this reason, the influence of various defects and distortions that are likely to occur at the portion of the mold 121 in contact with the bottom 121b of the silicon melt MS1 is difficult to affect the third region Ar3 due to the presence of the second region Ar2.

これにより、本ステップSp33では、初期凝固層PS2の第2領域Ar2上に欠陥が少ない結晶性に優れた第3領域Ar3が形成され得る。具体的には、第3領域Ar3における欠陥の密度が、第1領域Ar1および第2領域Ar2のそれぞれにおける欠陥の密度よりも小さくなる。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が簡便に製造され得る。なお、ここでいう欠陥は、第2および第3領域Ar2,Ar3の各断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥であればよい。なお、第3領域Ar3における欠陥の密度(第3密度)は、例えば、上述した第1および第2領域Ar1,Ar2における欠陥の密度と同様な方法によって確認される。   Thereby, in this step Sp33, the third region Ar3 with few defects and excellent crystallinity can be formed on the second region Ar2 of the initial solidified layer PS2. Specifically, the density of defects in the third region Ar3 is smaller than the density of defects in each of the first region Ar1 and the second region Ar2. Therefore, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily manufactured. In addition, the defect here should just be a defect which can become an etch pit by the etching process in each cross section of 2nd and 3rd area | region Ar2, Ar3. The defect density (third density) in the third region Ar3 is confirmed by a method similar to the defect density in the first and second regions Ar1 and Ar2, for example.

<(1−3)シリコンインゴット>
図17には、上述した本実施形態に係る製造方法によって製造される本実施形態に係るシリコンインゴットIg1を模式的に示す上面図が例示されている。図18には、シリコンインゴットIg1のうちの図17にて一点鎖線XVIII−XVIIIで示した位置におけるXZ断面を模式的に示す断面図が例示されている。
<(1-3) Silicon ingot>
FIG. 17 illustrates a top view schematically illustrating the silicon ingot Ig1 according to this embodiment manufactured by the manufacturing method according to this embodiment described above. FIG. 18 illustrates a cross-sectional view schematically showing an XZ cross-section at a position indicated by a one-dot chain line XVIII-XVIII in FIG. 17 of the silicon ingot Ig1.

図18に示すように、本実施形態に係るシリコンインゴットIg1は、−Z方向の底部から順に積層されている第1領域Ar1、第2領域Ar2および第3領域Ar3を備えている。第1および第2領域Ar1,Ar2は、上記初期凝固層PS2に相当する。   As shown in FIG. 18, the silicon ingot Ig1 according to this embodiment includes a first region Ar1, a second region Ar2, and a third region Ar3 that are sequentially stacked from the bottom in the −Z direction. The first and second regions Ar1, Ar2 correspond to the initial solidified layer PS2.

ここでは、例えば、第2領域Ar2の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が、第1および第3領域Ar1,Ar3の各断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度よりも大きければよい。この場合、シリコンインゴットIg1の製造工程において、下部領域MS1bが凝固することで第1領域Ar1が形成される際ならびにシリコンインゴットIg1が冷却される際に、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、第2領域Ar2で止められる。このため、鋳型121内におけるシリコン融液MS1のうちの底部121bに接している部分で生じ易い各種欠陥および歪みによる影響が、第2領域Ar2の存在によって、第3領域Ar3まで波及し難い。その結果、第2領域Ar2よりも上方の第3領域Ar3が、欠陥が少ない結晶性に優れた領域となり得る。すなわち、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が簡便に製造され得る。   Here, for example, the density of defects that can become etch pits by etching in the cross section of the second region Ar2 is larger than the density of defects that can become etch pits by etching in the cross sections of the first and third regions Ar1 and Ar3. That's fine. In this case, in the manufacturing process of the silicon ingot Ig1, when the first region Ar1 is formed by solidification of the lower region MS1b and when the silicon ingot Ig1 is cooled, dislocations and strain propagate in the first region Ar1. Is stopped in the second region Ar2. For this reason, the influence of various defects and distortions that are likely to occur at the portion of the mold 121 in contact with the bottom 121b of the silicon melt MS1 is difficult to affect the third region Ar3 due to the presence of the second region Ar2. As a result, the third region Ar3 above the second region Ar2 can be a region with few defects and excellent crystallinity. That is, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily manufactured.

なお、ここでいうエッチング処理は、上述したエッチング処理と同様な処理であればよい。また、第1〜3領域Ar1〜Ar3におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度は、上述したエッチング処理が施されたシリコン板が対象とされた顕微鏡による観察によって確認される。   Note that the etching process here may be a process similar to the above-described etching process. In addition, the density of defects that can become etch pits by the etching process in the first to third regions Ar1 to Ar3 is confirmed by observation with a microscope for the silicon plate subjected to the above-described etching process.

また、ここで、第1〜3領域Ar1〜Ar3の各断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第1〜3密度)については、第3密度、第1密度および第2密度の順に大きくなる。具体的に言えば、第1領域Ar1の断面における第1密度よりも、第2領域Ar2の断面における第2密度の方が大きく、第1領域Ar1の断面における第1密度よりも、第3領域Ar3の断面における第3密度の方が小さい。つまり、第3領域Ar3が、欠陥が少なく結晶性に優れた領域である。   Here, the density of defects (first to third densities) that can become etch pits by the etching process in each cross section of the first to third areas Ar1 to Ar3 is in the order of the third density, the first density, and the second density. growing. Specifically, the second density in the cross section of the second region Ar2 is larger than the first density in the cross section of the first region Ar1, and the third region is larger than the first density in the cross section of the first region Ar1. The third density in the cross section of Ar3 is smaller. That is, the third region Ar3 is a region with few defects and excellent crystallinity.

また、シリコンインゴットIg1では、例えば、第2領域Ar2における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、第1領域Ar1における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きければ、第2領域Ar2における欠陥の密度が高まる。ここでは、第2領域Ar2において、シリコンの結晶格子に置換型等の形態で入り込む炭素および窒素の量が多く、欠陥の密度が高まる。この場合にも、シリコンインゴットIg1の製造工程で、下部領域MS1bが凝固することで第1領域Ar1が形成される際ならびにシリコンインゴットIg1が冷却される際に、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、第2領域Ar2で止められる。このため、鋳型121内におけるシリコン融液MS1のうちの底部121bに接している部分で生じ易い各種欠陥および歪みによる影響が、第2領域Ar2の存在によって、第3領域Ar3まで波及し難い。その結果、第2領域Ar2よりも上方の第3領域Ar3が、欠陥が少ない結晶性に優れた領域となり得る。すなわち、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が簡便に製造され得る。   In the silicon ingot Ig1, for example, if the sum of the carbon atom density and the nitrogen atom density in the second region Ar2 is larger than the sum of the carbon atom density and the nitrogen atom density in the first region Ar1, The density of defects in the second region Ar2 increases. Here, in the second region Ar2, the amount of carbon and nitrogen entering the silicon crystal lattice in a substitutional form is large, and the defect density is increased. Also in this case, in the manufacturing process of the silicon ingot Ig1, when the first region Ar1 is formed by solidification of the lower region MS1b and when the silicon ingot Ig1 is cooled, dislocations and strains generated in the first region Ar1. Is stopped in the second region Ar2. For this reason, the influence of various defects and distortions that are likely to occur at the portion of the mold 121 in contact with the bottom 121b of the silicon melt MS1 is difficult to affect the third region Ar3 due to the presence of the second region Ar2. As a result, the third region Ar3 above the second region Ar2 can be a region with few defects and excellent crystallinity. That is, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily manufactured.

なお、第1および第2領域Ar1,Ar2を有する初期凝固層PS2のZ方向における厚さは、例えば、シリコンインゴットIg1のZ方向における高さの数%〜50%程度であればよい。そして、例えば、初期凝固層PS2のZ方向における厚さが、シリコンインゴットIg1のZ方向における高さの2〜20%程度であれば、欠陥が少なく結晶性に優れた第3領域Ar3がシリコンインゴットIg1の広範囲に渡って形成され得る。   Note that the thickness in the Z direction of the initial solidified layer PS2 having the first and second regions Ar1 and Ar2 may be, for example, about several to 50% of the height in the Z direction of the silicon ingot Ig1. For example, if the thickness in the Z direction of the initial solidified layer PS2 is about 2 to 20% of the height in the Z direction of the silicon ingot Ig1, the third region Ar3 with few defects and excellent crystallinity is formed in the silicon ingot. It can be formed over a wide range of Ig1.

<(1−4)シリコンインゴットの具体例>
<(1−4−1)シリコンインゴットの製造>
ここでは、図1に示すシリコンインゴットの製造装置100および図3から図16に示すシリコンインゴットの製造方法を用いて、本実施形態の一具体例に係るシリコンインゴットIg1を製造した。
<Specific example of (1-4) silicon ingot>
<Production of (1-4-1) Silicon Ingot>
Here, the silicon ingot Ig1 according to one specific example of the present embodiment was manufactured using the silicon ingot manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 and the silicon ingot manufacturing method shown in FIGS.

シリコンインゴットの製造装置100では、坩堝111の素材として、石英硝子を採用した。また、鋳型121は、側壁部121sの内部空間121i側の部分および底部121bを含む第1層を有し、さらに、側壁部121sにおいて、第1層の周囲に第2層および第3層が順に配されているものを採用した。ここで、第1層の素材として、シリカを採用し、第2層の素材として、炭素繊維強化炭素複合材料を採用し、第3層の素材として、断熱材のフェルトを採用した。   In the silicon ingot manufacturing apparatus 100, quartz glass is used as the material of the crucible 111. Further, the mold 121 has a first layer including a portion on the side of the internal space 121i of the side wall 121s and a bottom 121b. Further, in the side wall 121s, the second layer and the third layer are sequentially arranged around the first layer. Adopted what is arranged. Here, silica was used as the material for the first layer, a carbon fiber reinforced carbon composite material was used as the material for the second layer, and felt of a heat insulating material was used as the material for the third layer.

まず、図4に示すように、鋳型121の内壁面に離型材を塗布することで、離型材層Mr1を形成した。ここでは、窒化シリコンの粉末、酸化シリコンの粉末、およびバインダ溶液としてのPVA水溶液を混合してスラリー状とした離型材を用いた。   First, as shown in FIG. 4, a release material layer Mr <b> 1 was formed by applying a release material to the inner wall surface of the mold 121. Here, a release material made into a slurry by mixing a powder of silicon nitride, a powder of silicon oxide, and a PVA aqueous solution as a binder solution was used.

次に、図5に示すように、坩堝111内に総量が約45kgの多数の原料シリコンPS1を投入した。このとき、原料シリコンPS1には、ドーパントとなる元素としてのホウ素を入れた。   Next, as shown in FIG. 5, a large number of raw material silicon PS1 having a total amount of about 45 kg was put into the crucible 111. At this time, boron as an element serving as a dopant was added to the raw material silicon PS1.

次に、図6に示すように、鋳型121の周囲に配された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、鋳型121に対する予熱を開始した。この予熱によって、シリコンの融点に近い1300℃程度まで鋳型121が加熱された。   Next, as shown in FIG. 6, preheating of the mold 121 was started by the mold upper heater H2u and the lower heater H2l arranged around the mold 121. By this preheating, the mold 121 was heated to about 1300 ° C. close to the melting point of silicon.

また、坩堝111の周囲に配置された坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって、坩堝111内に配された原料シリコンPS1の加熱を開始した。これにより、原料シリコンPS1が、融点を超える1414℃以上で且つ1550℃以下程度の温度域まで加熱され、徐々に溶融した。このとき、坩堝111内の原料シリコンPS1のうちの下部開口部111boの近傍に配されている部分については、鋳型121の上方に配置された鋳型上部ヒーターH2uによっても加熱された。   In addition, the heating of the raw material silicon PS1 disposed in the crucible 111 was started by the crucible upper heater H1u and the side heater H1s disposed around the crucible 111. As a result, the raw material silicon PS1 was heated to a temperature range of 1414 ° C. or higher exceeding the melting point and 1550 ° C. or lower and gradually melted. At this time, a portion of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 disposed near the lower opening 111bo was also heated by the mold upper heater H2u disposed above the mold 121.

次に、図7に示すように、鋳型121内へのシリコン融液MS1の断続的な供給を開始した。ここでは、坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が、下部開口部111boを介して鋳型121内に供給された。   Next, as shown in FIG. 7, intermittent supply of the silicon melt MS1 into the mold 121 was started. Here, every time the raw silicon PS1 is melted in the crucible 111, the silicon melt MS1 is supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo.

次に、図8に示すように、鋳型121内の底部121b上に初期凝固層PS2を形成した。ここでは、鋳型121内の底部121b上に貯留されている少量のシリコン融液MS1が凝固して、鋳型121内の底部121b上に初期凝固層PS2が形成された。   Next, as shown in FIG. 8, an initial solidified layer PS <b> 2 was formed on the bottom 121 b in the mold 121. Here, a small amount of the silicon melt MS1 stored on the bottom 121b in the mold 121 is solidified to form an initial solidified layer PS2 on the bottom 121b in the mold 121.

次に、図13に示すように、坩堝111内から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給を断続的に行った。ここでは、坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が、下部開口部111boを介して鋳型121内に供給された。これにより、鋳型121内の初期凝固層PS2上にさらに第3シリコン融液であるシリコン融液MS1が断続的に供給された。その結果、初期凝固層PS2の上面が溶融状態のシリコン融液MS1に覆われた状態にした。すなわち、鋳型121内の初期凝固層PS2上にシリコン融液層MS1Lが形成された。   Next, as shown in FIG. 13, the silicon melt MS1 was intermittently supplied from the crucible 111 into the mold 121. Here, every time the raw silicon PS1 is melted in the crucible 111, the silicon melt MS1 is supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo. As a result, the silicon melt MS1 as the third silicon melt was intermittently supplied onto the initial solidified layer PS2 in the mold 121. As a result, the upper surface of the initial solidified layer PS2 was covered with the molten silicon melt MS1. That is, the silicon melt layer MS1L was formed on the initial solidified layer PS2 in the mold 121.

次に、図14に示すように、坩堝111内から鋳型121内へのシリコン融液MS1の連続的な供給を行った。ここでは、坩堝111内において、坩堝111の下部開口部111boを塞いでいた原料としてのシリコン(原料シリコンともいう)が完全に溶融されるようにすることで、シリコン融液MS1が、下部開口部111boを介して鋳型121内に連続的に供給された。このとき、坩堝111内の全ての原料シリコンPS1が溶融されて、シリコン融液MS1として鋳型121内に供給された。なお、ここでは、坩堝111内から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給における開始から終了までに要した時間が、90分程度とされた。   Next, as shown in FIG. 14, the silicon melt MS1 was continuously supplied from the crucible 111 into the mold 121. Here, in the crucible 111, silicon as a raw material (also referred to as raw material silicon) that has closed the lower opening 111bo of the crucible 111 is completely melted, so that the silicon melt MS1 is formed in the lower opening. It was continuously fed into the mold 121 via 111bo. At this time, all the raw material silicon PS1 in the crucible 111 was melted and supplied into the mold 121 as the silicon melt MS1. Here, the time required from the start to the end of the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 to the mold 121 is about 90 minutes.

その後、図15に示すように、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当接させた。これにより、鋳型121内のシリコン融液MS1が底部121b側から冷却されることで、シリコン融液MS1の底部121b側から上方に向かう一方向凝固が生じた。このとき、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの付近の温度が、シリコンの融点の近傍である1413〜1414℃程度に保持された。つまり、シリコン融液MS1が、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって加熱された。これにより、シリコン融液MS1の一方向凝固が行われ、その後の空冷によって、鋳型121内にp型のシリコンインゴットIg1が製造された。   Thereafter, as shown in FIG. 15, the cooling plate 123 was brought into contact with the lower surface of the mold holding part 122. As a result, the silicon melt MS1 in the mold 121 is cooled from the bottom 121b side, and unidirectional solidification occurs upward from the bottom 121b side of the silicon melt MS1. At this time, the temperature in the vicinity of the mold upper heater H2u and the lower heater H2l was maintained at about 1413 to 1414 ° C., which is in the vicinity of the melting point of silicon. That is, the silicon melt MS1 was heated by the mold upper heater H2u and the lower heater H2l. Thereby, the unidirectional solidification of the silicon melt MS1 was performed, and the p-type silicon ingot Ig1 was manufactured in the mold 121 by the subsequent air cooling.

また、一参考例に係るシリコンインゴットを、上記製造装置100と同様な構成を有する製造装置を用いて製造した。具体的には、坩堝111内で原料シリコンPS1の溶解によって得られたシリコン融液MS1を、鋳型121内に短時間で連続的に注入した後に、シリコン融液MS1の一方向凝固が行われることでシリコンインゴットを製造した。ここでは、鋳型121内にシリコン融液MS1を注入する際の鋳型121の温度は、750℃程度とした。また、坩堝111の下部開口部111boが比較的大きな原料シリコンによって塞がれた状態で、坩堝111が加熱されることによって、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給における開始から終了までに要する時間(供給時間という)が短縮化された。この供給時間は、本実施形態の具体例に係るシリコンインゴットIg1が製造される際における供給時間の約1/30とされた。また、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給が終了した後に、冷却板123を鋳型保持部122に当接した。一参考例に係るシリコンインゴットのその他の製造条件については、本実施形態の一具体例に係るシリコンインゴットIg1の製造条件と略同一とした。   In addition, a silicon ingot according to a reference example was manufactured using a manufacturing apparatus having the same configuration as the manufacturing apparatus 100 described above. Specifically, the silicon melt MS1 obtained by melting the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is continuously injected into the mold 121 in a short time, and then the unidirectional solidification of the silicon melt MS1 is performed. The silicon ingot was manufactured. Here, the temperature of the mold 121 when the silicon melt MS1 is injected into the mold 121 is about 750 ° C. In addition, when the crucible 111 is heated in a state where the lower opening 111bo of the crucible 111 is closed with a relatively large raw material silicon, the start and end of the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 is completed. The time required to complete (called supply time) has been shortened. This supply time was set to about 1/30 of the supply time when the silicon ingot Ig1 according to the specific example of this embodiment is manufactured. Further, after the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 was completed, the cooling plate 123 was brought into contact with the mold holding part 122. The other manufacturing conditions of the silicon ingot according to the reference example are substantially the same as the manufacturing conditions of the silicon ingot Ig1 according to the specific example of the present embodiment.

<(1−4−2)シリコンインゴットの分析方法ならびに分析結果>
図17に示すように、シリコンインゴットIg1のY方向の一端から他端に至る幅のうちの該一端から距離が約1/4の部分を、バンドソーによってXZ平面に沿って薄切りにしたことで、10mm程度の厚さを有するシリコン板を得た。その後、このシリコン板に対して、鏡面仕上げ用のミラーエッチングを施した。また、ミラーエッチングを施したシリコン板に対して、結晶欠陥を顕在化するための選択エッチングを行った。その後、シリコン板の盤面を撮影して、図18に示すような断面が得られた。
<(1-4-2) Analysis method and analysis result of silicon ingot>
As shown in FIG. 17, a portion of the width from one end to the other end in the Y direction of the silicon ingot Ig1 that is about 1/4 from the one end is sliced along the XZ plane by a band saw. A silicon plate having a thickness of about 10 mm was obtained. Thereafter, the silicon plate was subjected to mirror etching for mirror finishing. Further, selective etching for revealing crystal defects was performed on the silicon plate subjected to mirror etching. Thereafter, the board surface of the silicon plate was photographed, and a cross section as shown in FIG. 18 was obtained.

ミラーエッチングでは、シリコン板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬、水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥を順に行った。ここで、フッ硝酸溶液は、70質量%硝酸と50質量%フッ酸とが7:2の割合で混合することで生成された。フッ酸水溶液は、純水と50質量%フッ酸とが20:1の割合で混合することで生成された。また、選択エッチングでは、シリコン板に対して、JIS規格H0609に記載の選択エッチング液、すなわち70質量%硝酸と99質量%酢酸と50質量%フッ酸と純水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合した溶液への5分間の浸漬、水洗および乾燥を順に施した。なお、以下で述べるミラーエッチングおよび選択エッチングについては、全て略同一の条件で行った。   In mirror etching, the silicon plate was sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. Here, the hydrofluoric acid solution was produced by mixing 70 mass% nitric acid and 50 mass% hydrofluoric acid in a ratio of 7: 2. The hydrofluoric acid aqueous solution was produced by mixing pure water and 50% by mass hydrofluoric acid in a ratio of 20: 1. In the selective etching, a selective etching solution described in JIS standard H0609, that is, 70% by mass nitric acid, 99% by mass acetic acid, 50% by mass hydrofluoric acid, and pure water is applied to the silicon plate at 1: 12.7: A 5-minute immersion in a solution mixed at a ratio of 3: 3.7, washing with water, and drying were sequentially performed. Note that mirror etching and selective etching described below were all performed under substantially the same conditions.

図18に示すように、一具体例に係るシリコンインゴットIg1は、−Z方向の底部から順に積層されている第1領域Ar1、第2領域Ar2および第3領域Ar3を備えていた。また、上述した選択エッチングが施されたシリコン板について、走査型電子顕微鏡(SEM)による観察を行った。その結果、第1領域Ar1と第2領域Ar2との界面および第2領域Ar2と第3領域Ar3との界面に粒界が集中している様子が認められた。また、このSEMによる観察によれば、第3領域Ar3では、主として300μm以上の粒径を有する巨大な結晶粒が認められ、第1および第2領域Ar1,Ar2では、主として300μm未満の粒径を有する小さな結晶粒が認められた。   As shown in FIG. 18, the silicon ingot Ig1 according to one specific example includes a first region Ar1, a second region Ar2, and a third region Ar3 that are sequentially stacked from the bottom in the −Z direction. Further, the silicon plate subjected to the selective etching described above was observed with a scanning electron microscope (SEM). As a result, it was recognized that grain boundaries were concentrated at the interface between the first region Ar1 and the second region Ar2 and at the interface between the second region Ar2 and the third region Ar3. Further, according to the observation by the SEM, huge crystal grains having a grain size of 300 μm or more are recognized mainly in the third region Ar3, and the grain sizes of less than 300 μm are mainly used in the first and second regions Ar1 and Ar2. Small crystal grains were observed.

また、SEMによる観察によれば、第2領域Ar2、第1領域Ar1および第3領域Ar3の順にエッチピットの密度(EPD)が減少している様子が認められた。例えば、第2領域Ar2に係るEPDが、6×10個/cm程度であり、第1領域Ar1に係るEPDが、1×10個/cm程度であり、第3領域Ar3に係るEPDが、5×10個/cm程度であった。なお、第2領域Ar2の厚さが200μm前後であったため、各EPDは、一辺が約100μmの矩形状の領域において計測されるエッチピットの数を、矩形状の領域の面積で除することで得た。Further, according to observation by SEM, it was recognized that the density of etch pits (EPD) decreased in the order of the second region Ar2, the first region Ar1, and the third region Ar3. For example, the EPD related to the second region Ar2 is about 6 × 10 5 pieces / cm 2 , the EPD related to the first region Ar1 is about 1 × 10 5 pieces / cm 2 , and the EPD related to the third region Ar3 EPD was about 5 × 10 4 pieces / cm 2 . Since the thickness of the second region Ar2 was around 200 μm, each EPD is obtained by dividing the number of etch pits measured in a rectangular region having a side of about 100 μm by the area of the rectangular region. Obtained.

上記EPDの関係から、第2領域Ar2の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が、第1および第3領域Ar1,Ar3の各断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度よりも高いことが分かった。また、第1領域Ar1の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第1密度)よりも、第2領域Ar2の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第2密度)の方が高いことが分かった。さらに、第1密度よりも、第3領域Ar3の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第3密度)の方が低いことが分かった。   From the relationship of the above EPD, the density of defects that can become etch pits by etching in the cross section of the second region Ar2 is higher than the density of defects that can become etch pits by etching in the cross sections of the first and third regions Ar1 and Ar3. I found it expensive. The density of defects (second density) that can become etch pits by etching in the cross section of the second region Ar2 is higher than the density of defects (first density) that can become etch pits by etching in the cross section of the first region Ar1. I found that it was higher. Furthermore, it has been found that the density of defects (third density) that can become etch pits by the etching process in the cross section of the third region Ar3 is lower than the first density.

また、上述した選択エッチングが施されたシリコン板を対象としたラマン分光法による分析結果によれば、第2領域Ar2の近傍において、第1〜3領域Ar1〜Ar3の何れの領域においても結晶性が高く、アモルファス成分の存在は確認されなかった。また、観測されたラマンスペクトルにおけるピークの半値幅の増大によって、第1領域Ar1と第2領域Ar2との界面およびその近傍では、応力変動が生じている傾向が認められ、局所的な応力が生じていることが確認された。このことから、下部領域MS1bが凝固することで第1領域Ar1が形成される際ならびにシリコンインゴットIg1が冷却される際に、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、第2領域Ar2で止められたものと推定される。   Further, according to the analysis result by the Raman spectroscopy for the silicon plate subjected to the selective etching described above, the crystallinity is observed in any of the first to third regions Ar1 to Ar3 in the vicinity of the second region Ar2. The presence of amorphous components was not confirmed. In addition, due to an increase in the half-value width of the peak in the observed Raman spectrum, a tendency of stress fluctuation is observed at the interface between the first region Ar1 and the second region Ar2 and in the vicinity thereof, and local stress is generated. It was confirmed that From this, when the first region Ar1 is formed by the solidification of the lower region MS1b and when the silicon ingot Ig1 is cooled, dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 are caused in the second region Ar2. Presumed to have been stopped.

図19には、第1〜3領域Ar1〜Ar3における炭素および窒素の原子密度が示されている。図19には、シリコンインゴットIg1におけるZ方向(高さ方向)における位置と、炭素の原子密度との関係が、黒塗りの丸印で示されており、該Z方向における位置と、窒素の原子密度との関係が、黒塗りの菱形の印で示されている。図19では、横軸が、第2領域Ar2の略中央部が基準とされたZ方向における位置を示し、縦軸が、原子密度を示している。ここでは、上記選択エッチングが施されたシリコン板について、SIMSによって第1〜3領域Ar1〜Ar3における炭素および窒素の原子密度を測定した。SIMSの装置としては、Cameca社製IMS−6Fを用いた。そして、SIMSによる測定は、一次イオン種がCsであり、一次イオン加速電圧が14.5kVであり、二次イオン極性が負であり、且つ質量分解能が標準である条件下で行われた。また、SIMSによる測定位置(被測定位置)は、Z方向において、第2領域Ar2の略中央部を基準として、±200μmおよび±400μmの部分が加えられた合計5箇所とした。FIG. 19 shows the atomic densities of carbon and nitrogen in the first to third regions Ar1 to Ar3. In FIG. 19, the relationship between the position in the Z direction (height direction) and the atomic density of carbon in the silicon ingot Ig1 is indicated by black circles. The position in the Z direction and the nitrogen atom The relationship with density is indicated by a black diamond mark. In FIG. 19, the horizontal axis indicates the position in the Z direction with the approximate center of the second region Ar2 as a reference, and the vertical axis indicates the atomic density. Here, the atomic density of carbon and nitrogen in the first to third regions Ar1 to Ar3 was measured by SIMS for the silicon plate subjected to the selective etching. IMS-6F manufactured by Cameca was used as the SIMS device. The measurement by SIMS was performed under conditions where the primary ion species was Cs + , the primary ion acceleration voltage was 14.5 kV, the secondary ion polarity was negative, and the mass resolution was standard. In addition, the measurement positions (measurement positions) by SIMS were set to a total of five locations in which the ± 200 μm and ± 400 μm portions were added, with the approximate center of the second region Ar2 as a reference in the Z direction.

図19に示すように、炭素の原子密度については、第1および第3領域Ar1,Ar3と比較して、第2領域Ar2で顕著に上昇していることが確認された。また、窒素の原子密度については、第1および第3領域Ar1,Ar3では、SIMSにおける質量分解能の下限値未満であるのに対して、第2領域Ar2では、1×1018atoms/cm程度であることが確認された。したがって、初期凝固層PS2については、第2領域Ar2における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、第1領域Ar1における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きいことが分かった。そして、第2領域Ar2では、第1および第3領域Ar1,Ar3と比較して、炭素および窒素の原子密度が高いことによって、シリコンの結晶格子に置換型等の形態で入り込んでいる炭素および窒素の量が多いため、欠陥の密度が高まっていたものと推定された。As shown in FIG. 19, it was confirmed that the atomic density of carbon was significantly increased in the second region Ar2 as compared with the first and third regions Ar1 and Ar3. The atomic density of nitrogen is less than the lower limit of mass resolution in SIMS in the first and third regions Ar1 and Ar3, whereas in the second region Ar2, it is about 1 × 10 18 atoms / cm 3. It was confirmed that. Therefore, for the initial solidified layer PS2, the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the second region Ar2 is greater than the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the first region Ar1. I understood. And in 2nd area | region Ar2, compared with 1st and 3rd area | region Ar1, Ar3, since the atomic density of carbon and nitrogen is high, the carbon and nitrogen which have entered into the crystal lattice of silicon in the form of a substitution type etc. It was estimated that the defect density was increased due to the large amount of.

また、ここで、平衡状態においてシリコンに固溶可能な炭素量の上限値(固溶限界)を原子密度で示すと、1×1018atoms/cm以下であるのに対して、第2領域Ar2における炭素の原子密度は、1×1020atoms/cm程度と非常に高かった。このような炭素の原子密度の傾向により、第2領域Ar2が形成される際にシリコン融液MS1が急速に凝固したものと推定された。Here, when the upper limit (solid solution limit) of the amount of carbon that can be dissolved in silicon in the equilibrium state is expressed by atomic density, it is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, whereas the second region The atomic density of carbon in Ar2 was as high as about 1 × 10 20 atoms / cm 3 . Due to such a tendency of the atomic density of carbon, it was estimated that the silicon melt MS1 rapidly solidified when the second region Ar2 was formed.

ここでは、一具体例に係るシリコンインゴットIg1の第2領域Ar2を中心とした第1〜3領域Ar1〜Ar3を含む領域における結晶方位を、電子線後方散乱回折(EBSD)法によって分析した。なお、EBSD装置としては、電界放射型電子銃を装備したSEM(日本電子社製JSM−6500F)に設置されたEBSD装置(TSL社製OIM方位解析装置)を用いた。そして、EBSD装置における分析は、加速電圧が15.0kVであり、照射電流が7.0nAであり、試料傾斜が70度であり、測定領域が1.7mm×2.6mmであり、且つ測定間隔が2μm/stepである条件下で行われた。   Here, the crystal orientation in the region including the first to third regions Ar1 to Ar3 centering on the second region Ar2 of the silicon ingot Ig1 according to one specific example was analyzed by an electron beam backscatter diffraction (EBSD) method. As the EBSD device, an EBSD device (OSL orientation analyzer manufactured by TSL) installed in an SEM (JSM-6500F manufactured by JEOL Ltd.) equipped with a field emission electron gun was used. In the analysis in the EBSD apparatus, the acceleration voltage is 15.0 kV, the irradiation current is 7.0 nA, the sample inclination is 70 degrees, the measurement area is 1.7 mm × 2.6 mm, and the measurement interval. Was performed under the condition of 2 μm / step.

一方、一参考例に係るシリコンインゴットについては、ミラーエッチングおよび選択エッチングが施されたXZ断面の目視ならびに光学顕微鏡による観察によって、一具体例のような初期凝固層PS2が形成されていないことを確認した。   On the other hand, for the silicon ingot according to one reference example, it was confirmed that the initial solidified layer PS2 as in one specific example was not formed by visual observation of an XZ cross section subjected to mirror etching and selective etching and observation with an optical microscope. did.

図20には、一具体例に係るシリコンインゴットIg1の下面からの位置と規格化した比抵抗(ρb値)との関係が示されている。ここでは、図18で示された断面写真の撮影対象であった上記選択エッチングが施されたシリコン板について、表面と裏面との間における電気抵抗が測定されることで、ドーパントとしてのホウ素の濃度分布に対応する比抵抗の分布が得られた。図20では、シリコンインゴットIg1の下面から上面まで至る距離(高さ)を100(固化率が100%)とした場合に、シリコンインゴットIg1の下面からの距離(高さ)が、6.3、12.5、18.8、・・・、87.5(固化率が6.3%、12.5%、18.8%、・・・、87.5%)である各部分における規格化したρb値が示されている。例えば、一具体例に係るシリコンインゴットIg1についての高さとρb値との関係が、黒塗りの丸印で示されている。図20では、縦軸が規格化したρb値を示し、横軸がシリコンインゴットIg1における高さ方向(Z方向)の位置を示している。なお、図20には、初期凝固層PS2が形成されることなく製造された一参考例に係るシリコンインゴットについての高さとρb値との関係が、黒塗りの菱形印で示されている。ここで固化率とは、インゴットの鋳造に使用したシリコン原料の総質量に対する固化したインゴットの質量の比率を表し、鋳造後のインゴットの下端(鋳型底面に接する最初に凝固する端面)において0%、インゴットの上端(鋳型の開放部側であり最後に凝固する端面)において100%となる。   FIG. 20 shows the relationship between the position from the lower surface of the silicon ingot Ig1 according to one specific example and the normalized specific resistance (ρb value). Here, the concentration of boron as a dopant is measured by measuring the electrical resistance between the front surface and the back surface of the silicon plate subjected to the selective etching, which was the subject of the cross-sectional photograph shown in FIG. The resistivity distribution corresponding to the distribution was obtained. In FIG. 20, when the distance (height) from the lower surface to the upper surface of the silicon ingot Ig1 is 100 (solidification rate is 100%), the distance (height) from the lower surface of the silicon ingot Ig1 is 6.3, Normalization in each part of 12.5, 18.8, ..., 87.5 (solidification ratios of 6.3%, 12.5%, 18.8%, ..., 87.5%) The ρb value is shown. For example, the relationship between the height and the ρb value for the silicon ingot Ig1 according to one specific example is indicated by a black circle. In FIG. 20, the vertical axis represents the normalized ρb value, and the horizontal axis represents the position in the height direction (Z direction) of the silicon ingot Ig1. In FIG. 20, the relationship between the height and the ρb value for a silicon ingot according to a reference example manufactured without forming the initial solidified layer PS2 is indicated by black rhombus marks. Here, the solidification rate represents the ratio of the mass of the solidified ingot to the total mass of the silicon raw material used for casting the ingot, and is 0% at the lower end of the ingot after casting (the first solidified end surface that contacts the mold bottom), It becomes 100% at the upper end of the ingot (the end face on the mold open side and finally solidified).

図20に示すように、一具体例に係るシリコンインゴットIg1については、初期凝固層PS2に対応する第1および第2領域Ar1,Ar2については、ρb値が比較的低いことを確認した。これに対して、第3領域Ar3については、シリコンインゴットIg1の下面からの距離に応じて、ρb値が高い状態から単調に低下していることを確認した。このような結果から、第1および第2領域Ar1,Ar2については、シリコン融液MS1の急速な凝固によって形成されるためにホウ素の濃度が比較的高くなり、ρb値が比較的小さくなったものと推定された。一方、第3領域Ar3については、シリコン融液MS1が極めて低速の一方向凝固によって形成されるため、凝固の初期から凝固の終期にかけて、シリコン融液MS1中における不純物としてのホウ素の濃度が上昇する傾向を示したものと推定された。   As shown in FIG. 20, for the silicon ingot Ig1 according to one specific example, it was confirmed that the ρb value was relatively low for the first and second regions Ar1 and Ar2 corresponding to the initial solidified layer PS2. On the other hand, about 3rd area | region Ar3, according to the distance from the lower surface of silicon ingot Ig1, it confirmed that (rho) b value was decreasing monotonously from a high state. From these results, the first and second regions Ar1 and Ar2 are formed by rapid solidification of the silicon melt MS1, so that the boron concentration is relatively high and the ρb value is relatively small. It was estimated. On the other hand, in the third region Ar3, since the silicon melt MS1 is formed by unidirectional solidification at a very low speed, the concentration of boron as an impurity in the silicon melt MS1 increases from the initial stage of solidification to the end of solidification. It is presumed that it showed a trend.

一方、一参考例に係るシリコンインゴットについては、シリコンインゴットの下面からの距離に応じて、ρb値が単純に低下することを確認した。このようなρb値の傾向は、シリコン融液MS1が凝固する際に、凝固の初期から凝固の終期にかけて、シリコン融液MS1中における不純物としてのホウ素の濃度が上昇する傾向を示すことと整合するものと考えられる。   On the other hand, with respect to the silicon ingot according to one reference example, it was confirmed that the ρb value simply decreased according to the distance from the lower surface of the silicon ingot. This tendency of the ρb value is consistent with the fact that when the silicon melt MS1 is solidified, the concentration of boron as an impurity in the silicon melt MS1 increases from the initial stage of solidification to the end of solidification. It is considered a thing.

また、図21には、一具体例に係るシリコンインゴットIg1について、下面からの距離(高さ)に応じたEPDの変化についての測定結果が示されている。具体的には、図21には、本実施形態の一具体例に係るシリコンインゴットIg1についての高さとEPDとの関係が、黒塗りの丸印で示されている。なお、図21には、初期凝固層PS2が形成されることなく製造された一参考例に係るシリコンインゴットについて、その高さとEPDとの関係が、黒塗りの菱形印で示されている。   FIG. 21 shows the measurement results of the change in EPD according to the distance (height) from the lower surface of the silicon ingot Ig1 according to one specific example. Specifically, in FIG. 21, the relationship between the height and the EPD for a silicon ingot Ig1 according to a specific example of the present embodiment is indicated by black circles. In FIG. 21, the relationship between the height and the EPD of a silicon ingot according to a reference example manufactured without forming the initial solidified layer PS2 is indicated by black rhombus marks.

ここでは、図17に示すように、シリコンインゴットIg1が、Y方向の略中央部がバンドソーによってX平面に沿って切断されることで2分割され、さらに、Z方向の略中央部がバンドソーによってYZ平面に沿って切断されることで2分割された。つまり、シリコンインゴットIg1から、該シリコンインゴットIg1の4分の1の寸法を有するインゴット片Ig11が切り出された。次に、インゴット片Ig11の下面から上面に至る距離(高さ)を100(固化率が100%)とした場合に、インゴット片Ig11の下面からの距離(高さ)が、8、10、16、20、25、30、40、50および82である(固化率が8%、10%、16%、20%、25%、30%、40%、50%および82%)各部分が、250〜300μmの厚さで薄切りにされた。ここでは、インゴット片Ig11がバンドソーによってXY平面に沿って薄切りにされることで、シリコンインゴットIg1の下面に略平行な9枚のシリコン板が形成された。さらに、これらの9枚のシリコン板に対して、ミラーエッチングおよび選択エッチングが順に施された。その後、各シリコン板について、シリコン板のY方向の略中央部(図17の破線に沿った部分)における略等間隔の15箇所における矩形状の領域がSEMで観察されてエッチピットの数が計測され、観察領域の面積で除されることで、EPDが算出された。矩形状の領域は、一辺が250μmとされた。   Here, as shown in FIG. 17, the silicon ingot Ig1 is divided into two parts by cutting the substantially central part in the Y direction along the X plane by the band saw, and further, the substantially central part in the Z direction is YZ by the band saw. It was divided into two by cutting along a plane. That is, an ingot piece Ig11 having a size of a quarter of the silicon ingot Ig1 was cut out from the silicon ingot Ig1. Next, when the distance (height) from the lower surface to the upper surface of the ingot piece Ig11 is 100 (solidification rate is 100%), the distance (height) from the lower surface of the ingot piece Ig11 is 8, 10, 16 , 20, 25, 30, 40, 50 and 82 (solidification rate 8%, 10%, 16%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50% and 82%) It was sliced to a thickness of ˜300 μm. Here, the ingot piece Ig11 was sliced along the XY plane by a band saw, so that nine silicon plates substantially parallel to the lower surface of the silicon ingot Ig1 were formed. Further, mirror etching and selective etching were sequentially performed on these nine silicon plates. Thereafter, for each silicon plate, 15 rectangular regions at approximately equal intervals in the substantially central portion of the silicon plate in the Y direction (the portion along the broken line in FIG. 17) are observed by SEM, and the number of etch pits is measured. Then, the EPD was calculated by dividing by the area of the observation region. The rectangular area has a side of 250 μm.

図21に示すように、一具体例に係るシリコンインゴットIg1については、第1領域Ar1よりも第2領域Ar2の方が、EPDが若干高く、第1および第2領域Ar1,Ar2よりも第3領域Ar3の方が、EPDが顕著に低くなっていることを確認した。つまり、シリコンインゴットIg1については、下面からの距離に応じて、EPDが一旦上昇した後に顕著に下降していることを確認した。これにより、第1〜3領域Ar1〜Ar3の各断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度(第1〜3密度)については、第3密度、第1密度および第2密度の順に大きくなっていることを確認した。これに対して、一参考例に係るシリコンインゴットについては、下面からの距離に応じて、EPDが単調に上昇する傾向を示していることを確認した。したがって、一具体例に係るシリコンインゴットIg1では、EPDが高い第2領域Ar2の存在によって、第3領域Ar3のEPDが顕著に低くなるものと推定される。そして、第1領域Ar1が形成される際ならびにシリコンインゴットIg1が冷却される際に、第1領域Ar1で生じる転位および歪みの伝播が、第2領域Ar2で止められ、第3領域Ar3が、欠陥が少なく結晶性に優れた領域となるものと推定される。   As shown in FIG. 21, in the silicon ingot Ig1 according to one specific example, the EPD is slightly higher in the second region Ar2 than in the first region Ar1, and the third region Ar3 is higher than in the first and second regions Ar1 and Ar2. It was confirmed that EPD was significantly lower in the region Ar3. That is, with respect to the silicon ingot Ig1, it was confirmed that the EPD was lowered significantly after once rising according to the distance from the lower surface. As a result, the density of defects (first to third densities) that can become etch pits by etching processing in the cross sections of the first to third regions Ar1 to Ar3 increases in the order of the third density, the first density, and the second density. Confirmed that. On the other hand, about the silicon ingot which concerns on one reference example, it confirmed that the EPD showed the tendency to rise monotonously according to the distance from a lower surface. Therefore, in the silicon ingot Ig1 according to one specific example, it is estimated that the EPD of the third region Ar3 is significantly reduced due to the presence of the second region Ar2 having a high EPD. Then, when the first region Ar1 is formed and when the silicon ingot Ig1 is cooled, dislocation and strain propagation generated in the first region Ar1 are stopped in the second region Ar2, and the third region Ar3 It is presumed that this is a region with less crystallinity and excellent crystallinity.

<(1−5)太陽電池素子>
上述した本実施形態に係るシリコンインゴットIg1から切り出されるシリコン基板は、太陽電池素子10の半導体基板として用いられ得る。
<(1-5) Solar cell element>
The silicon substrate cut out from the silicon ingot Ig1 according to this embodiment described above can be used as a semiconductor substrate of the solar cell element 10.

ここで、太陽電池素子10の基本構成について説明する。図22から図24に示すように、太陽電池素子10は、光が入射する受光面(図24における上面)10a、およびこの受光面10aの反対側の面である非受光面(図24における下面)10bを有している。この太陽電池素子10は、半導体基板1を有している。この半導体基板1は一導電型の半導体層である第1半導体層1pと、この第1半導体層1pの受光面10a側に設けられた逆導電型の半導体層である第2半導体層1nとを有している。また、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上には、反射防止層2が設けられている。また、太陽電池素子10は、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上に設けられた第1電極4と、半導体基板1の非受光面10b側の第2主面1b上に設けられた第2電極5とを有している。   Here, the basic configuration of the solar cell element 10 will be described. As shown in FIGS. 22 to 24, the solar cell element 10 includes a light receiving surface (upper surface in FIG. 24) on which light is incident and a non-light receiving surface (lower surface in FIG. 24) that is the surface opposite to the light receiving surface 10a. ) 10b. This solar cell element 10 has a semiconductor substrate 1. The semiconductor substrate 1 includes a first semiconductor layer 1p which is a one-conductivity-type semiconductor layer, and a second semiconductor layer 1n which is a reverse-conductivity-type semiconductor layer provided on the light-receiving surface 10a side of the first semiconductor layer 1p. Have. An antireflection layer 2 is provided on the first main surface 1 a on the light receiving surface 10 a side of the semiconductor substrate 1. Further, the solar cell element 10 includes a first electrode 4 provided on the first main surface 1 a on the light receiving surface 10 a side of the semiconductor substrate 1 and a second main surface 1 b on the non-light receiving surface 10 b side of the semiconductor substrate 1. And a second electrode 5 provided.

次に、太陽電池素子10のより具体的な構成例について説明する。まず、半導体基板1として一導電型(例えば、p型)を有するシリコン基板を用意する。シリコン基板としては、本発明に係るシリコンインゴットの製造方法によって製造されたシリコンインゴットIg1が、所望の形状のブロックに切り出された後に、例えばマルチワイヤソー装置等を用いた切断作業によって基板状にされたものが用いられる。半導体基板1の厚さは、例えば、300μm以下であればよく、さらに、200μm以下であれば、資源の有効利用等による太陽電池素子10の製造コストの低減が図られ得る。   Next, a more specific configuration example of the solar cell element 10 will be described. First, a silicon substrate having one conductivity type (for example, p-type) is prepared as the semiconductor substrate 1. As the silicon substrate, the silicon ingot Ig1 manufactured by the method for manufacturing a silicon ingot according to the present invention was cut into a block having a desired shape, and then formed into a substrate shape by a cutting operation using a multi-wire saw device or the like, for example. Things are used. The thickness of the semiconductor substrate 1 may be, for example, 300 μm or less, and if it is 200 μm or less, the manufacturing cost of the solar cell element 10 can be reduced by effective use of resources.

シリコンインゴットの導電型をp型にするためのドーパントとなる元素としては、例えばホウ素が用いられる。シリコンインゴットにおけるホウ素の濃度が、1×1016〜1×1017[atoms/cm]程度であれば、シリコン基板における比抵抗は、0.2〜2Ω・cm程度となる。シリコン基板に対するホウ素のドーピング方法としては、例えば、適量のホウ素元素の単体、あるいはホウ素の含有濃度が既知である適量の原料シリコンが、シリコンインゴットの製造時に混合される方法が採用されればよい。For example, boron is used as an element serving as a dopant for changing the conductivity type of the silicon ingot to p-type. If the boron concentration in the silicon ingot is about 1 × 10 16 to 1 × 10 17 [atoms / cm 3 ], the specific resistance of the silicon substrate is about 0.2 to 2 Ω · cm. As a method for doping boron into the silicon substrate, for example, a method in which an appropriate amount of elemental boron element or an appropriate amount of raw silicon having a known boron concentration is mixed at the time of manufacturing the silicon ingot may be employed.

半導体基板1がp型の導電型を呈するシリコン基板である場合、半導体基板1における第1主面1a側の表層部にリン等の不純物が拡散されることで、第2半導体層1nが形成され得る。そして、第1半導体層1pと第2半導体層1nとはpn接合領域を形成している。   When the semiconductor substrate 1 is a silicon substrate exhibiting p-type conductivity, impurities such as phosphorus are diffused into the surface layer portion on the first main surface 1a side of the semiconductor substrate 1 to form the second semiconductor layer 1n. obtain. The first semiconductor layer 1p and the second semiconductor layer 1n form a pn junction region.

反射防止層2は、受光面10aにおける所望の波長領域の光に対する反射率を低減させて、半導体基板1内に所望の波長領域の光が吸収され易くする役割を果たす。これにより、半導体基板1における光電変換によって生成されるキャリアの量が増大され得る。反射防止層2の素材としては、例えば、窒化シリコン、酸化チタンおよび酸化シリコン等が採用され得る。反射防止層2の素材によって反射防止層2の厚さが適宜設定されることで、反射防止層2の存在によって適当な入射光が殆ど反射しない条件(無反射条件)が実現されればよい。例えば、半導体基板1がシリコン基板である場合、反射防止層2の屈折率は、1.8〜2.3程度であればよく、反射防止層2の厚さは、500〜1200Å程度であればよい。   The antireflection layer 2 serves to reduce the reflectance of the light receiving surface 10a with respect to light in a desired wavelength region, and facilitate the absorption of light in the desired wavelength region in the semiconductor substrate 1. Thereby, the amount of carriers generated by photoelectric conversion in the semiconductor substrate 1 can be increased. As a material of the antireflection layer 2, for example, silicon nitride, titanium oxide, silicon oxide, or the like can be employed. By appropriately setting the thickness of the antireflection layer 2 depending on the material of the antireflection layer 2, it is only necessary to realize a condition (non-reflection condition) in which appropriate incident light is hardly reflected by the presence of the antireflection layer 2. For example, when the semiconductor substrate 1 is a silicon substrate, the refractive index of the antireflection layer 2 may be about 1.8 to 2.3, and the thickness of the antireflection layer 2 is about 500 to 1200 mm. Good.

半導体基板1の第2主面1b側には、BSF(Back-Surface-Field)領域1Hpが設けられている。このBSF領域1Hpは、半導体基板1の第2主面1b側に内部電界を形成し、第2主面1bの近傍におけるキャリアの再結合を低減する役割を有している。これにより、太陽電池素子10における光電変換効率の低下が低減され得る。BSF領域1Hpは、第1半導体層1pと同一の導電型を呈しており、BSF領域1Hpが含有する多数キャリアの濃度は、第1半導体層1pが含有する多数キャリアの濃度よりも高い。なお、半導体基板1がp型を呈する場合、例えば、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にホウ素またはアルミニウム等のドーパントとなる元素が拡散されることで、BSF領域1Hpが形成され得る。このとき、BSF領域1Hpにおけるドーパントの濃度は、例えば、1×1018〜5×1021atoms/cm程度であればよい。A BSF (Back-Surface-Field) region 1Hp is provided on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1. The BSF region 1Hp has a role of forming an internal electric field on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1 and reducing carrier recombination in the vicinity of the second main surface 1b. Thereby, the fall of the photoelectric conversion efficiency in the solar cell element 10 can be reduced. The BSF region 1Hp has the same conductivity type as the first semiconductor layer 1p, and the concentration of majority carriers contained in the BSF region 1Hp is higher than the concentration of majority carriers contained in the first semiconductor layer 1p. When the semiconductor substrate 1 is p-type, for example, an element serving as a dopant such as boron or aluminum is diffused in the surface layer portion on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1 to form the BSF region 1Hp. obtain. At this time, the concentration of the dopant in the BSF region 1Hp may be about 1 × 10 18 to 5 × 10 21 atoms / cm 3 , for example.

第1電極4は、図22に示すように、第1出力取出電極4aと、複数の線状の第1集電電極4bとを有している。第1出力取出電極4aの少なくとも一部は、第1集電電極4bと交差している。第1出力取出電極4aの線幅は、例えば、1.3〜2.5mm程度であればよい。一方、第1集電電極4bの線幅は、第1出力取出電極4aの線幅よりも狭く、例えば、50〜200μm程度であればよい。また、複数の第1集電電極4bは間隔を有して配されている。この間隔は、1.5〜3mm程度であればよい。また、第1電極4の厚さは、10〜40μm程度であればよい。なお、第1電極4には、複数の第1集電電極4bの一端部同士および他端部同士をそれぞれ繋ぐ線状の補助電極4cが含まれていてもよい。補助電極4cの線幅は、例えば、第1集電電極4bの線幅と同等であればよい。上記構成を有する第1電極4は、例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第1主面1a上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。銀ペーストは、例えば、銀の粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されればよい。銀ペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であればよい。   As shown in FIG. 22, the first electrode 4 has a first output extraction electrode 4a and a plurality of linear first current collecting electrodes 4b. At least a part of the first output extraction electrode 4a intersects the first collector electrode 4b. The line width of the 1st output extraction electrode 4a should just be about 1.3-2.5 mm, for example. On the other hand, the line width of the 1st current collection electrode 4b is narrower than the line width of the 1st output extraction electrode 4a, for example, should just be about 50-200 micrometers. In addition, the plurality of first current collecting electrodes 4b are arranged with an interval. This interval may be about 1.5 to 3 mm. Moreover, the thickness of the 1st electrode 4 should just be about 10-40 micrometers. The first electrode 4 may include a linear auxiliary electrode 4c that connects one end portions and the other end portions of the plurality of first current collecting electrodes 4b. For example, the line width of the auxiliary electrode 4c may be equal to the line width of the first current collecting electrode 4b. The 1st electrode 4 which has the said structure can be formed by baking, after apply | coating the silver paste to the area | region of the desired pattern on the 1st main surface 1a of the semiconductor substrate 1, for example. The silver paste may be generated by mixing, for example, silver powder, glass frit, organic vehicle, and the like. The silver paste application method may be, for example, a screen printing method.

第2電極5は、図23に示すように、第2出力取出電極5aと第2集電電極5bとを有している。第2出力取出電極5aの厚さは、例えば、10〜30μm程度であればよい。第2出力取出電極5aの線幅は、1.3〜7mm程度であればよい。この第2出力取出電極5aは、上述の第1電極4と同等の材質および製法で形成され得る。例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。また、第2集電電極5bの厚さは、15〜50μm程度であればよい。この第2集電電極5bは、半導体基板1の第2主面1bの第2出力取出電極5aが形成される領域の大部分を除く略全面に形成されている。この第2集電電極5bは、例えば、アルミニウムペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。アルミニウムペーストは、例えば、アルミニウムの粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されればよい。アルミニウムペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であればよい。   As shown in FIG. 23, the second electrode 5 has a second output extraction electrode 5a and a second collector electrode 5b. The thickness of the 2nd output extraction electrode 5a should just be about 10-30 micrometers, for example. The line width of the second output extraction electrode 5a may be about 1.3 to 7 mm. The second output extraction electrode 5a can be formed of the same material and manufacturing method as the first electrode 4 described above. For example, the silver paste can be formed by being applied to a desired pattern region on the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and then firing. Moreover, the thickness of the 2nd current collection electrode 5b should just be about 15-50 micrometers. The second current collecting electrode 5b is formed on substantially the entire surface of the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 except for most of the region where the second output extraction electrode 5a is formed. The second current collecting electrode 5b can be formed, for example, by applying an aluminum paste to a region of a desired pattern on the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and then baking it. The aluminum paste may be generated, for example, by mixing aluminum powder, glass frit, organic vehicle, and the like. The method for applying the aluminum paste may be, for example, a screen printing method.

<(1−6)太陽電池素子の具体例>
以下に、上述した本実施形態に係る太陽電池素子10をさらに具体化した具体例について説明する。
<Specific Example of (1-6) Solar Cell Element>
Below, the specific example which further actualized the solar cell element 10 which concerns on this embodiment mentioned above is demonstrated.

ここでは、上記一具体例に係るシリコンインゴットIg1および上記一参考例に係るシリコンインゴットが、シリコンインゴットの底面に平行な面に沿って薄切りにされることで、半導体基板1に相当するシリコン基板が作製された。そして、ここで得られたシリコン基板を半導体基板1とする太陽電池素子10(図22から図24を参照)が、以下の工程によって作製された。   Here, the silicon ingot Ig1 according to the specific example and the silicon ingot according to the reference example are sliced along a plane parallel to the bottom surface of the silicon ingot, so that the silicon substrate corresponding to the semiconductor substrate 1 is obtained. Made. And the solar cell element 10 (refer FIGS. 22-24) which uses the silicon substrate obtained here as the semiconductor substrate 1 was produced by the following processes.

ここでは、まず、シリコンインゴットからシリコン基板を作製した。このとき、ワイヤソー装置を用いて、厚さが200μmであり且つ一辺が150mmの正方形の盤面を有するシリコン基板を作製した。具体的には、シリコンインゴットの下面から上面まで至る距離を100(固化率が100%)とした場合に、シリコンインゴットの下面からの距離が、6.3、12.5、18.8、・・・、87.5(固化率が6.3%、12.5%、18.8%、・・・、87.5%)である各部分が薄切りにされることで、一具体例および一参考例に係るシリコン基板がそれぞれ8枚ずつ作製された。このとき、各シリコン基板の表層においてシリコンインゴットの切断時に生じたダメージ層が、水酸化ナトリウム溶液によるエッチングによって除去された。   Here, first, a silicon substrate was produced from a silicon ingot. At this time, a silicon substrate having a square board surface with a thickness of 200 μm and a side of 150 mm was manufactured using a wire saw device. Specifically, when the distance from the lower surface to the upper surface of the silicon ingot is 100 (solidification rate is 100%), the distance from the lower surface of the silicon ingot is 6.3, 12.5, 18.8,. .., 87.5 (solidification rate 6.3%, 12.5%, 18.8%,..., 87.5%) Eight silicon substrates according to one reference example were produced. At this time, the damage layer generated when the silicon ingot was cut in the surface layer of each silicon substrate was removed by etching with a sodium hydroxide solution.

次に、ドライエッチング法によって半導体基板1の第1主面1aに微細な凹凸によるテクスチャ構造を形成した。そして、POClを拡散源とした気相熱拡散法によって、第2半導体層1nおよび該第2半導体層1n上の燐ガラスを形成した。このとき、第2半導体層1nのシート抵抗は、70Ω/□であった。さらに、フッ酸溶液を用いたエッチングによる燐ガラスの除去ならびにレーザービームによるpn分離を行った後に、第1主面1a上にPECVD法によって反射防止層2としての窒化シリコン膜を形成した。Next, a texture structure with fine irregularities was formed on the first main surface 1a of the semiconductor substrate 1 by dry etching. Then, the second semiconductor layer 1n and the phosphor glass on the second semiconductor layer 1n were formed by vapor phase thermal diffusion using POCl 3 as a diffusion source. At this time, the sheet resistance of the second semiconductor layer 1n was 70Ω / □. Further, after removing phosphorus glass by etching using a hydrofluoric acid solution and performing pn separation using a laser beam, a silicon nitride film as an antireflection layer 2 was formed on the first main surface 1a by PECVD.

その後、半導体基板1の第2主面1bにアルミニウムペーストを略全面に塗布して、このアルミニウムペーストを焼成することで、BSF領域1Hpと第2集電電極5bとを形成した。また、半導体基板1の第1主面1a上および第2主面1b上に銀ペーストを塗布して、この銀ペーストを焼成することで、第1電極4と第2出力取出電極5aとを形成した。以上により、太陽電池素子10を作製した。   Thereafter, an aluminum paste was applied to the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 over substantially the entire surface, and this aluminum paste was baked to form the BSF region 1Hp and the second current collecting electrode 5b. Also, the first electrode 4 and the second output extraction electrode 5a are formed by applying a silver paste on the first main surface 1a and the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and firing the silver paste. did. The solar cell element 10 was produced by the above.

そして、上記一具体例に係るシリコンインゴットIg1および上記一参考例に係るシリコンインゴットのそれぞれから得られた半導体基板1を用いた各太陽電池素子10に対して、光電変換効率を測定した。この光電変換効率の測定は、JIS C 8913(1998)に準拠して行った。この測定結果が、図25に示されている。シリコンインゴットの下面から上面まで至る距離を100(固化率:100%)とした場合に、シリコンインゴットの下面からの距離が、6.3、12.5、18.8、・・・、87.5である各部分の半導体基板1を用いた。図25には、これらの半導体基板1を用いた各太陽電池素子10について、規格化した光電変換効率が示されている。ここで、一具体例に係る光電変換効率の測定結果が、黒塗りの丸印で示されており、一参考例に係る光電変換効率の測定結果が、黒塗りの菱形印で示されている。   And the photoelectric conversion efficiency was measured with respect to each solar cell element 10 using the semiconductor substrate 1 obtained from each of the silicon ingot Ig1 which concerns on the said one specific example, and the silicon ingot which concerns on the said one reference example. This photoelectric conversion efficiency was measured according to JIS C 8913 (1998). The measurement result is shown in FIG. When the distance from the lower surface to the upper surface of the silicon ingot is 100 (solidification rate: 100%), the distance from the lower surface of the silicon ingot is 6.3, 12.5, 18.8,. The semiconductor substrate 1 of each part which is 5 was used. FIG. 25 shows the normalized photoelectric conversion efficiency for each solar cell element 10 using these semiconductor substrates 1. Here, the measurement result of the photoelectric conversion efficiency according to one specific example is indicated by a black circle, and the measurement result of the photoelectric conversion efficiency according to one reference example is indicated by a black rhombus. .

図25に示すように、一具体例に係る太陽電池素子10の第3領域Ar3のシリコン基板を用いた場合には、一参考例に係る太陽電池素子10におけるシリコン基板を用いた場合よりも、光電変換効率が高くなることを確認した。すなわち、第3領域Ar3が、欠陥が少なく結晶性に優れた領域となっているために、光電変換効率が高くなったものと推定される。   As shown in FIG. 25, when the silicon substrate in the third region Ar3 of the solar cell element 10 according to one specific example is used, compared to the case where the silicon substrate in the solar cell element 10 according to one reference example is used. It was confirmed that the photoelectric conversion efficiency was increased. That is, it is presumed that the third region Ar3 is a region having few defects and excellent crystallinity, so that the photoelectric conversion efficiency is increased.

<(1−7)まとめ>
以上のように、一実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、初期凝固層PS2の形成時ならびにシリコンインゴットIg1の冷却時に、第1領域Ar1からの転位および歪みの伝播が、欠陥が高密度に存在している第2領域Ar2で止められる。このため、初期凝固層PS2上に欠陥が少ない結晶性に優れた第3領域Ar3が形成され得る。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットが簡便に製造され得る。
<(1-7) Summary>
As described above, in the method for manufacturing a silicon ingot according to an embodiment, when the initial solidified layer PS2 is formed and when the silicon ingot Ig1 is cooled, dislocations and strain are propagated from the first region Ar1 with high density of defects. It is stopped by the existing second region Ar2. For this reason, the third region Ar3 with few defects and excellent crystallinity can be formed on the initial solidified layer PS2. Therefore, a silicon ingot having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily produced.

また、一実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、初期凝固層PS2の形成時ならびにシリコンインゴットIg1の冷却時に、第1領域Ar1からの転位および歪みの伝播が、炭素および窒素の少なくとも一方の存在によって、欠陥密度が上昇している第2領域Ar2で止められる。このため、初期凝固層PS2上に欠陥が少ない結晶性に優れた第3領域Ar3が形成され得る。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットが簡便に製造され得る。   In the method for manufacturing a silicon ingot according to an embodiment, dislocation and strain propagation from the first region Ar1 are present in at least one of carbon and nitrogen when the initial solidified layer PS2 is formed and when the silicon ingot Ig1 is cooled. Thus, the second region Ar2 where the defect density is increasing is stopped. For this reason, the third region Ar3 with few defects and excellent crystallinity can be formed on the initial solidified layer PS2. Therefore, a silicon ingot having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily produced.

また、一実施形態に係るシリコンインゴットIg1では、シリコンインゴットIg1が製造される際に、第1領域Ar1からの転位および歪みの伝播が、欠陥が高密度に存在している第2領域Ar2で止められる。このため、第2領域Ar2よりも上方の第3領域Ar3が、欠陥が少ない結晶性に優れた領域となり得る。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が簡便に製造され得る。   Further, in the silicon ingot Ig1 according to the embodiment, when the silicon ingot Ig1 is manufactured, dislocation and strain propagation from the first region Ar1 are stopped in the second region Ar2 where defects exist at high density. It is done. For this reason, the third region Ar3 above the second region Ar2 can be a region with few defects and excellent crystallinity. Therefore, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily manufactured.

また、一実施形態に係るシリコンインゴットIg1では、シリコンインゴットIg1が製造される際に、第1領域Ar1からの転位および歪みの伝播が、炭素および/または窒素の存在によって欠陥密度が上昇している第2領域Ar2で止められる。このため、第2領域Ar2よりも上方の第3領域Ar3が、欠陥が少ない結晶性に優れた領域となり得る。したがって、欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットIg1が簡便に製造され得る。   Further, in the silicon ingot Ig1 according to the embodiment, when the silicon ingot Ig1 is manufactured, dislocation and strain propagation from the first region Ar1 increase in defect density due to the presence of carbon and / or nitrogen. Stopped in the second region Ar2. For this reason, the third region Ar3 above the second region Ar2 can be a region with few defects and excellent crystallinity. Therefore, the silicon ingot Ig1 having a region with few defects and excellent crystallinity can be easily manufactured.

<(2)実施形態2>
次に、上述した実施形態1とは異なる実施形態2について説明する。
<(2) Embodiment 2>
Next, a second embodiment different from the above-described first embodiment will be described.

<(2−1)シリコンインゴットの製造装置>
製造装置については実施形態1と同様であるので説明を省略する。
<(2-1) Silicon Ingot Manufacturing Equipment>
Since the manufacturing apparatus is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.

<(2−2)シリコンインゴットの製造方法>
図26に示すように、本実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、鋳型を準備する工程と、実施形態1で説明した第2工程(ステップSp2)において、第1凝固層を形成する際に、鋳型内にドーパントを含んでいる第4シリコン融液を供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が減少する第1固化領域を前記第1凝固層内に形成する。また、実施形態1で説明した第3工程(ステップSp3)において、鋳型内にドーパントを含んでいる第5シリコン融液を供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が増加して最大のドーパント濃度を有する第2固化領域を第2凝固層内に形成する。
<(2-2) Silicon Ingot Manufacturing Method>
As shown in FIG. 26, in the method of manufacturing a silicon ingot according to the present embodiment, when forming the first solidified layer in the step of preparing the mold and the second step (step Sp2) described in the first embodiment. Then, a fourth silicon melt containing a dopant is supplied into the mold, and a first solidified region in which the dopant concentration decreases as the solidification rate increases is formed in the first solidified layer. Further, in the third step (step Sp3) described in the first embodiment, the fifth silicon melt containing the dopant is supplied into the mold, and the dopant concentration increases as the solidification rate increases, so that the maximum dopant concentration is obtained. A second solidified region is formed in the second solidified layer.

以上工程によって、転位などの欠陥が少なく結晶性に優れた領域を有するシリコンインゴットが製造される。図26では、ステップSq11からステップSq34まで、準備工程(ステップSq1)、第1固化領域形成工程(ステップSq2)および第2固化領域形成工程(ステップSq3)が順に行われる例を示す。   Through the above steps, a silicon ingot having a region with few defects such as dislocations and excellent crystallinity is manufactured. FIG. 26 shows an example in which the preparation step (step Sq1), the first solidified region forming step (step Sq2), and the second solidified region forming step (step Sq3) are sequentially performed from step Sq11 to step Sq34.

<(2−2−1)準備工程>
準備工程では、例えば、図4および図5に示すように、鋳型121および坩堝111の準備が行われる。ここで、準備工程において順に行われるステップSq11,Sq12の2工程について説明する。
<(2-2-1) Preparation step>
In the preparation step, for example, as shown in FIGS. 4 and 5, the mold 121 and the crucible 111 are prepared. Here, two processes of steps Sq11 and Sq12 performed in order in the preparation process will be described.

ステップSq11では、鋳型121の準備が行われる。例えば、図4に示すように、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されることで離型材層Mr1が形成される。この離型材層Mr1の存在によって、シリコン融液MS1が凝固する過程における鋳型121の内壁へのシリコンインゴットの融着が低減される。離型材層Mr1の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素のうちの何れかあるいは2以上が混合されたものが採用され得る。離型材層Mr1は、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素の1以上を含むスラリーが、鋳型121の内壁に塗布もしくはスプレー等によってコーティングされることで形成され得る。ここで、スラリーは、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素のうちの何れか1つまたは2以上の混合物の粉末が、PVA等の有機バインダと溶剤とを主に含む溶液中に混合されたものが攪拌されることで形成され得る。   In step Sq11, the mold 121 is prepared. For example, as shown in FIG. 4, a release material layer Mr <b> 1 is formed by applying a release material to the inner wall surface of the mold 121. The presence of the release material layer Mr1 reduces the fusion of the silicon ingot to the inner wall of the mold 121 in the process of solidifying the silicon melt MS1. As the material of the release material layer Mr1, for example, any one of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide or a mixture of two or more may be employed. The release material layer Mr1 can be formed, for example, by coating a slurry containing one or more of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide on the inner wall of the mold 121 by coating or spraying. Here, the slurry is, for example, a powder of any one or a mixture of silicon nitride, silicon carbide, and silicon oxide mixed in a solution mainly containing an organic binder such as PVA and a solvent. Things can be formed by stirring.

ステップSq12では、坩堝111の準備が行われる。例えば、図5に示すように、坩堝111の内部空間111iにポリシリコンである原料シリコンPS1が導入される。このとき、例えば、坩堝111内の下部の領域から上部の領域に向けて原料シリコンPS1が充填されればよい。また、例えば、シリコンインゴットにおいてドーパントとなる元素が原料シリコンPS1に含有されていればよい。ここで、原料シリコンPS1は、例えば、シリコンインゴットの原料としてのポリシリコンの塊であればよい。このポリシリコンの塊は、例えば、比較的細かいブロック状のシリコンの塊であればよい。なお、p型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、ホウ素およびガリウム等であればよい。n型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、リン等であればよい。   In step Sq12, the crucible 111 is prepared. For example, as shown in FIG. 5, raw material silicon PS <b> 1 that is polysilicon is introduced into the internal space 111 i of the crucible 111. At this time, for example, the raw material silicon PS1 may be filled from the lower region in the crucible 111 toward the upper region. Further, for example, an element that becomes a dopant in the silicon ingot may be contained in the raw material silicon PS1. Here, the raw material silicon PS1 may be a lump of polysilicon as a raw material of a silicon ingot, for example. The polysilicon lump may be a relatively fine block lump of silicon, for example. In the case where a p-type silicon ingot is manufactured, the dopant element may be, for example, boron or gallium. When an n-type silicon ingot is manufactured, the element serving as a dopant may be, for example, phosphorus.

なお、第1固化領域形成工程が開始される前に、鋳型保持部122の下面に冷却板123が当接されていない状態に設定される。   In addition, before the 1st solidification area | region formation process is started, it sets to the state by which the cooling plate 123 is not contact | abutted on the lower surface of the casting_mold | template holding | maintenance part 122. FIG.

<(2−2−2)第1固化領域形成工程>
第1固化領域形成工程では、図6から図8に示すように、鋳型121内にシリコン融液MS1が供給され、このシリコン融液MS1が鋳型121内の底部121b上において凝固されることで、第1固化領域が形成される。ここで、第1固化領域形成工程において順に行われるステップSq21〜Sq25の各工程について説明する。
<(2-2-2) First solidified region forming step>
In the first solidified region forming step, as shown in FIGS. 6 to 8, the silicon melt MS1 is supplied into the mold 121, and the silicon melt MS1 is solidified on the bottom 121b in the mold 121. A first solidified region is formed. Here, each process of step Sq21-Sq25 performed in order in a 1st solidification area | region formation process is demonstrated.

ステップSq21では、鋳型121の予熱が開始される。例えば、図6に示すように、鋳型121の上方および側方に配置された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、鋳型121が200℃から800℃に予熱されればよい。   In step Sq21, preheating of the mold 121 is started. For example, as shown in FIG. 6, the mold 121 may be preheated from 200 ° C. to 800 ° C. by the mold upper heater H2u and the lower heater H2l disposed above and to the side of the mold 121.

ステップSq22では、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始される。例えば、図6に示すように、坩堝111の上方および側方に配置された坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって原料シリコンPS1が、融点を超える1414℃以上で且つ1550℃以下程度の温度域まで加熱され、徐々に溶融する。このとき、坩堝111内の原料シリコンPS1は、坩堝上部ヒーターH1u、側部ヒーターH1sおよび、鋳型121の上方に配置された鋳型上部ヒーターH2uの近傍に配されている部分から加熱されるため、これらのヒーター近傍に配されている原料シリコンPS1は、溶融され易い。   In step Sq22, heating of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is started. For example, as shown in FIG. 6, the raw silicon PS1 has a temperature range of 1414 ° C. or higher and 1550 ° C. or lower exceeding the melting point by the crucible upper heater H1u and the side heater H1s disposed above and laterally of the crucible 111 Until it melts gradually. At this time, since the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is heated from the crucible upper heater H1u, the side heater H1s, and the portion disposed in the vicinity of the mold upper heater H2u disposed above the mold 121, these The raw material silicon PS1 disposed in the vicinity of the heater is easily melted.

なお、ここでは、鋳型121の予熱が開始された後に、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始されたが、これに限られない。例えば、鋳型121の予熱と、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱とが、同時に開始されてもよいし、坩堝111内の原料シリコンPS1に対する加熱が開始された後に、鋳型121の予熱が開始されてもよい。   Here, heating of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is started after the preheating of the mold 121 is started, but the present invention is not limited to this. For example, the preheating of the mold 121 and the heating of the raw silicon PS1 in the crucible 111 may be started simultaneously, or after the heating of the raw silicon PS1 in the crucible 111 is started, the preheating of the mold 121 is started. May be.

ステップSq23では、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が供給される。このとき、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給は、連続的なものであってもよいし、断続的なものであってもよい。また、供給は外部からの制御手段によってタイミングを制御されてもよい(制御供給)し、制御されずに溶融したシリコンから順に自然落下によって供給されてもよい(自然供給)。いずれの供給方法によっても、ステップSq21での予熱温度と供給される融液量を適宜設定することによって、凝固速度が鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度以上になる状況を作り出すことができる(ステップSq24)。言い換えれば、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給による融液面の上昇速度を凝固速度が上回る。これにより、第1固化領域が容易に形成され得る。   In step Sq23, the silicon melt MS1 is supplied from the crucible 111 into the mold 121. At this time, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 may be continuous or intermittent. Further, the timing of the supply may be controlled by an external control means (control supply), or may be supplied by natural falling sequentially from the melted silicon without being controlled (natural supply). Regardless of the supply method, by appropriately setting the preheating temperature in step Sq21 and the amount of melt supplied, it is possible to create a situation where the solidification rate is equal to or higher than the rising rate of the upper surface of silicon supplied into the mold. Yes (step Sq24). In other words, the solidification rate exceeds the rising speed of the melt surface by supplying the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121. Thereby, a 1st solidification area | region can be formed easily.

なお、シリコン融液MS1の連続的な供給とは、シリコン融液MS1の供給が殆ど途切れることなく生じることを意味している。また、シリコン融液MS1の断続的な供給とは、不規則なタイミングで、シリコン融液MS1の供給の実施と中断とが生じることを意味している。   Note that the continuous supply of the silicon melt MS1 means that the supply of the silicon melt MS1 occurs almost without interruption. Further, the intermittent supply of the silicon melt MS1 means that the supply and interruption of the supply of the silicon melt MS1 occur at irregular timings.

シリコン融液MS1の断続的な供給は、例えば、図7に示すように、坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融されるたびに、シリコン融液MS1が下部開口部111boを介して鋳型121内に供給されることで実現され得る。ここでは、例えば、坩堝111内において、坩堝上部ヒーターH1u、側部ヒーターH1sおよび、鋳型121の上方に配置された鋳型上部ヒーターH2uのいずれかの近傍に配されている原料シリコンPS1が、最も早く溶融されるため、これらが溶融されるたびに、シリコン融液MS1が、下部開口部111boを介して鋳型121内に供給され得る。   For example, as shown in FIG. 7, the silicon melt MS1 is intermittently supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo every time the raw material silicon PS1 is melted in the crucible 111. It can be realized by being supplied. Here, for example, in the crucible 111, the raw material silicon PS1 disposed in the vicinity of any of the crucible upper heater H1u, the side heater H1s, and the mold upper heater H2u disposed above the mold 121 is the earliest. Since they are melted, each time they are melted, the silicon melt MS1 can be supplied into the mold 121 through the lower opening 111bo.

シリコン融液MS1の連続的な供給は、例えば、図14に示すように、供給制御手段(不図示)によって下部開口部111boを閉じた状態で坩堝111内において原料シリコンPS1が溶融した後に、供給制御手段(不図示)によって下部開口部111boを開放して、シリコン融液MS1が下部開口部111boを介して鋳型121内に供給されることで実現され得る。供給制御手段は下部開口部111boに設けたバルブでもよいし、各ヒーターの温度を制御することによって下部開口部111boを塞ぐ原料シリコンPS1が最後に溶けるようにして、下部開口部111boを塞ぐ原料シリコンPS1が溶解すると同時に坩堝111内のシリコン融液MS1が鋳型121内に供給されるようにしてもよい。   For example, as shown in FIG. 14, the silicon melt MS1 is continuously supplied after the raw material silicon PS1 is melted in the crucible 111 with the lower opening 111bo closed by a supply control means (not shown). This can be realized by opening the lower opening 111bo by control means (not shown) and supplying the silicon melt MS1 into the mold 121 via the lower opening 111bo. The supply control means may be a valve provided in the lower opening 111bo, or by controlling the temperature of each heater, the raw silicon PS1 that closes the lower opening 111bo is melted last, and the raw silicon that closes the lower opening 111bo The silicon melt MS1 in the crucible 111 may be supplied into the mold 121 at the same time as PS1 is dissolved.

ステップSq25では、ステップSq23で鋳型121内に供給されたシリコン融液MS1が凝固されることで、鋳型121内の底部121b上に第1固化領域が形成される。ここでは、図8に示すように、鋳型121内の底部121b上を覆うシリコン融液MS1が急速に凝固することで、鋳型121内の底部121b上を覆うように第1固化領域が形成されればよい。   In step Sq25, the silicon melt MS1 supplied into the mold 121 in step Sq23 is solidified to form a first solidified region on the bottom 121b in the mold 121. Here, as shown in FIG. 8, the first solidified region is formed so as to cover the bottom 121b in the mold 121 by rapidly solidifying the silicon melt MS1 that covers the bottom 121b in the mold 121. That's fine.

第1固化領域では固化率の増加とともにドーパント濃度が減少するように固化領域を形成する。ここで、第1固化領域を形成するためには、鋳型121内に供給されたシリコン融液MS1の凝固速度が鋳型121内に供給されたシリコンの上面の上昇速度以上である条件で急速に凝固させればよい。以下、凝固速度とドーパント濃度の関係について説明する。一般的な平衡状態の凝固であれば、シリコン融液MS1中の不純物は一定の偏析係数に応じてシリコンインゴットに取り込まれる。偏析係数は融液から結晶が凝固する際の固液界面における融液中の不純物濃度(Cl)と結晶中の不純物濃度(Cs)との比であり、k0=Cs/Clで表される。例えば、シリコンインゴットにドーパントとして用いられるボロン(B)の偏析係数は0.8、リン(P)の偏析係数は0.35と1より小さい(固液界面において結晶中のドーパント濃度は融液中のドーパント濃度よりも小さい)ので、平衡凝固状態では凝固が進行する(固化率が大きくなる)につれて融液中のボロンやリンの濃度が増加し、シリコンインゴット中のドーパント濃度は凝固が進行する(固化率が大きくなる)につれて増加する。   In the first solidified region, the solidified region is formed so that the dopant concentration decreases as the solidification rate increases. Here, in order to form the first solidified region, it rapidly solidifies under the condition that the solidification rate of the silicon melt MS1 supplied into the mold 121 is equal to or higher than the rising rate of the upper surface of the silicon supplied into the mold 121. You can do it. Hereinafter, the relationship between the solidification rate and the dopant concentration will be described. In the case of solidification in a general equilibrium state, impurities in the silicon melt MS1 are taken into the silicon ingot according to a certain segregation coefficient. The segregation coefficient is a ratio between the impurity concentration (Cl) in the melt and the impurity concentration (Cs) in the crystal at the solid-liquid interface when the crystal is solidified from the melt, and is expressed by k0 = Cs / Cl. For example, the segregation coefficient of boron (B) used as a dopant in a silicon ingot is 0.8 and the segregation coefficient of phosphorus (P) is 0.35, which is smaller than 1 (the dopant concentration in the crystal at the solid-liquid interface is in the melt) Therefore, as the solidification progresses in the equilibrium solidification state (the solidification rate increases), the concentration of boron and phosphorus in the melt increases, and the concentration of the dopant in the silicon ingot proceeds ( It increases as the solidification rate increases).

一方、凝固速度が鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度以上であるような場合、偏析係数は1に近づいて、シリコンインゴット中のドーパント濃度はシリコン融液MS1中のドーパント濃度とほぼ等しくなる。凝固速度は例えば、ステップSq21において、鋳型121の底部121bおよび側部121sの温度をヒーターよって制御することによって調整できる。融液面上昇速度は、例えばステップSq23において下部開口部の径を変更するなどの方法で融液の単位時間当たりの供給量を制御することによって調整できる。そして、凝固が進行する(固化率が大きくなる)につれて、凝固速度が小さくなるようにすることで、偏析係数は通常の平衡状態(ボロンは0.8、リンは0.35)に近づくため、固化率の増加とともにドーピング濃度が減少する任意の厚みの第1固化領域が形成できる。また、このようにして作製した第1固化領域においてはドーパントだけでなく、他の偏析係数が1よりも小さい不純物元素、例えば鉄(Fe)、銅(Cu)、炭素(C)、窒素(N)、酸素(O)などの濃度も同様に固化率の増加とともに減少する。   On the other hand, when the solidification rate is higher than the rising rate of the upper surface of silicon supplied into the mold, the segregation coefficient approaches 1, and the dopant concentration in the silicon ingot is almost equal to the dopant concentration in the silicon melt MS1. Become. For example, in step Sq21, the solidification rate can be adjusted by controlling the temperatures of the bottom 121b and the side 121s of the mold 121 with a heater. The melt surface rising speed can be adjusted by controlling the supply amount of the melt per unit time by, for example, changing the diameter of the lower opening in step Sq23. As the solidification progresses (solidification rate increases), the segregation coefficient approaches a normal equilibrium state (0.8 for boron and 0.35 for phosphorus) by reducing the solidification rate. A first solidified region having an arbitrary thickness in which the doping concentration decreases as the solidification rate increases can be formed. Further, in the first solidified region thus produced, not only the dopant but also other impurity elements having a segregation coefficient smaller than 1, such as iron (Fe), copper (Cu), carbon (C), nitrogen (N ), Oxygen (O) and the like also decrease as the solidification rate increases.

第1固化領域を形成する他の手段としては、鋳型121に供給されるシリコン融液MS1中のドーパント濃度を固化が進行するにしたがって小さくする方法がある。例えば、坩堝111内に原料シリコンPS1を充填する際に、比較的早く溶けやすいヒーターに近い領域に高濃度のドーパントを含む原料シリコンPS1を載置し、他の領域にそれよりも低濃度のドーパントを含む原料シリコンPS1を載置した状態で、原料シリコンPS1の溶解を開始して、溶融したシリコンから順に鋳型121に供給するようにすればよい。   As another means for forming the first solidified region, there is a method of decreasing the dopant concentration in the silicon melt MS1 supplied to the mold 121 as the solidification progresses. For example, when the raw material silicon PS1 is filled in the crucible 111, the raw material silicon PS1 containing a high concentration dopant is placed in a region near a heater that is relatively easy to melt, and a lower concentration dopant is placed in another region. In a state where the raw material silicon PS1 containing is placed, melting of the raw material silicon PS1 is started, and the molten silicon is supplied to the mold 121 in order.

このように、凝固初期(すなわちインゴット底部)に第1固化領域を設けることによって、インゴット中の欠陥密度を低減することができる。欠陥密度が低減する理由を以下に列挙する。   Thus, the defect density in an ingot can be reduced by providing a 1st solidification area | region in the solidification initial stage (namely, ingot bottom part). The reasons why the defect density is reduced are listed below.

まず、底部の ドーパント(ボロン、リンなど)濃度上昇によって機械的強度, 降伏強度増加し、その結果, 熱ショックによる転位発生が抑制される。底部の転位が減少すれば、それを引き継いで成長する上部の転位も減少する。   First, mechanical strength and yield strength increase with increasing dopant concentration (boron, phosphorus, etc.) at the bottom, and as a result, the occurrence of dislocations due to heat shock is suppressed. If the dislocations at the bottom decrease, the dislocations at the top that take over it will also decrease.

また、ボロンと鉄はB−Fe結合を形成することが知られており、インゴットの凝固中ボロンが鉄をトラップ(ゲッタリング)することによって、底面および底部側面における離型材からのFe汚染拡散が抑制され、その結果、インゴット内の不純物濃度低減する。また、ボロンによる鉄ゲッタリングの際、転位も移動して消滅、低減することが考えられ、鉄ゲッタリングの最中に転位低減が起こっている可能性もある。   Boron and iron are known to form a B-Fe bond, and boron contamination (gettering) during solidification of the ingot causes Fe contamination diffusion from the release material on the bottom and bottom side surfaces. As a result, the impurity concentration in the ingot is reduced. Further, it is conceivable that dislocations move, disappear, and decrease during iron gettering by boron, and there is a possibility that dislocation reduction occurs during iron gettering.

また、第1固化領域の成長速度を大きくすることで、底面に垂直な方向に対し、底面に平行な方向の成長速度は相対的に小さくなり、底面に平行な方向の結晶粒サイズや応力が小さくなり、粒界によるひずみ緩和効果が大きくなって、転位等の欠陥が生じにくくなる。   Also, by increasing the growth rate of the first solidified region, the growth rate in the direction parallel to the bottom surface becomes relatively smaller than the direction perpendicular to the bottom surface, and the crystal grain size and stress in the direction parallel to the bottom surface are reduced. It becomes small and the strain relaxation effect by a grain boundary becomes large and it becomes difficult to produce defects, such as a dislocation.

また、成長速度を大きくするため成長初期の鋳型内の温度が通常に比べて低いため、結晶成長中の潜熱が抜けやすく、成長のストレスが少ないため、転位等の欠陥が生じにくい。   In addition, since the temperature in the mold at the initial stage of growth is lower than usual in order to increase the growth rate, latent heat during crystal growth is easily lost, and since there is little growth stress, defects such as dislocations are less likely to occur.

また、高濃度のドーパント濃度を含むシリコンにおいては、シリコン原子とドーパント原子の格子定数差によってミスフィット転位が発生し、ミスフィット転位が熱ショックによって発生する転位の伝播を遮断する。   Further, in silicon containing a high dopant concentration, misfit dislocations are generated due to the lattice constant difference between silicon atoms and dopant atoms, and the misfit dislocations block the propagation of dislocations generated by heat shock.

このように、インゴット 底部の転位を低減することで、インゴット上部を含む全体の転位低減することができるので、転位の少ない高品質なシリコンインゴットを得ることができる。   Thus, by reducing the dislocations at the bottom of the ingot, the total dislocations including the upper portion of the ingot can be reduced, so that a high-quality silicon ingot with few dislocations can be obtained.

なお、転位などの結晶欠陥は、シリコンインゴットの各断面におけるエッチング処理によって、エッチピットとして顕微鏡を用いて観察できる。例えば、観察対象領域において計測されるエッチピットの数を観察対象領域の面積で除すことで導出されるエッチピットの密度(EPD)が、欠陥の密度とされればよい。エッチング処理は、例えば、シリコンの板(シリコン板)に、鏡面仕上げ用のエッチング(ミラーエッチング)、および結晶欠陥を顕在化させるためのエッチング(選択エッチング)を順に施す処理であればよい。   Note that crystal defects such as dislocations can be observed as etch pits using a microscope by etching treatment in each cross section of the silicon ingot. For example, the density of etch pits (EPD) derived by dividing the number of etch pits measured in the observation target region by the area of the observation target region may be the defect density. The etching process may be, for example, a process in which a silicon plate (silicon plate) is sequentially subjected to mirror finishing etching (mirror etching) and etching (selective etching) for revealing crystal defects.

より具体的には、エッチング処理は、例えば、バンドソーによってシリコンインゴットからXZ平面に沿って薄切りにされて得られるシリコン板に対して、ミラーエッチングおよび選択エッチングが順に行われる処理であればよい。ミラーエッチングは、例えば、シリコン板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬、水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥が順に施される処理であればよい。なお、フッ硝酸溶液は、例えば、70質量%硝酸と50質量%フッ酸とが7:2の割合で混合されることで生成されればよい。フッ酸水溶液は、例えば、純水と50質量%フッ酸とが20:1の割合で混合されることで生成されればよい。また、選択エッチングは、例えば、シリコン板に対して、JIS規格H0609に記載の選択エッチング液への5分間の浸漬、水洗および乾燥が順に施される処理であればよい。JIS規格H0609に記載の選択エッチング液は、例えば、70質量%硝酸と99質量%酢酸と50質量%フッ酸と純水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合された溶液であればよい。   More specifically, the etching process may be, for example, a process in which mirror etching and selective etching are sequentially performed on a silicon plate obtained by slicing along a XZ plane from a silicon ingot with a band saw. The mirror etching may be, for example, a process in which a silicon plate is sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. In addition, the hydrofluoric acid solution should just be produced | generated by mixing 70 mass% nitric acid and 50 mass% hydrofluoric acid in the ratio of 7: 2, for example. The hydrofluoric acid aqueous solution may be generated, for example, by mixing pure water and 50% by mass hydrofluoric acid at a ratio of 20: 1. Further, the selective etching may be, for example, a process in which a silicon plate is sequentially subjected to 5-minute immersion in a selective etching solution described in JIS standard H0609, water washing, and drying. In the selective etching solution described in JIS standard H0609, for example, 70% by mass nitric acid, 99% by mass acetic acid, 50% by mass hydrofluoric acid and pure water are mixed at a ratio of 1: 12.7: 3: 3.7. Any solution may be used.

また、本ステップSq25では、融液中にドーパント原子以外に、炭素および窒素等が多く存在していれば、インゴットに取り込まれた炭素および窒素等が前述のドーパントによる結晶欠陥低減効果と同様の役割を果たしうるのでさらによい。   Further, in this step Sq25, if there are a lot of carbon and nitrogen other than the dopant atoms in the melt, the carbon and nitrogen taken into the ingot have the same role as the crystal defect reducing effect by the dopant. Even better.

なお、炭素および窒素の原子密度は、例えば、第1固化領域および第2固化領域の各断面を対象とした、SIMSによって計測される。   In addition, the atomic density of carbon and nitrogen is measured by SIMS for each cross section of the first solidified region and the second solidified region, for example.

<(2−2−3)第2固化領域形成工程>
融液の供給をさらに続けると、インゴットの成長とともに凝固速度が低下し、凝固速度は鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度を下回るようになる(ステップSq31)。これにより、図14に示すように、鋳型121内において、第1固化領域上にシリコン融液MS1が貯留された状態となり、第2固化領域が形成される(ステップSq32)。第2固化領域では従来のインゴットと同様に固化率の増加とともにドーパント濃度が増加する。なお、ここでは、坩堝111から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給は、連続的なものであってもよいし、断続的なものであってもよい。但し、坩堝111から鋳型121内へシリコン融液MS1が連続的に供給されれば、シリコン融液MS1が鋳型121内に迅速に供給される。その結果、シリコンインゴットが迅速に製造され得る。
<(2-2-3) Second solidified region forming step>
When the supply of the melt is further continued, the solidification rate decreases as the ingot grows, and the solidification rate becomes lower than the rising rate of the upper surface of the silicon supplied into the mold (step Sq31). Thereby, as shown in FIG. 14, in the mold 121, the silicon melt MS1 is stored on the first solidified region, and the second solidified region is formed (step Sq32). In the second solidification region, the dopant concentration increases as the solidification rate increases as in the conventional ingot. Here, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 may be continuous or intermittent. However, if the silicon melt MS1 is continuously supplied from the crucible 111 into the mold 121, the silicon melt MS1 is rapidly supplied into the mold 121. As a result, the silicon ingot can be manufactured quickly.

そして、ステップSq33では、坩堝111から鋳型121へのシリコン融液MS1の供給が終了される。   In step Sq33, the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 to the mold 121 is terminated.

さらに第2固化領域形成工程では、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当接する。これにより、鋳型121内のシリコン融液MS1から鋳型保持部122を介した冷却板123への抜熱が開始される。ここでは、例えば、図15に示すように、第1固化領域上にシリコン融液MS1が貯留されている状態において、冷却板123による底部121b側からのシリコン融液MS1の冷却が開始される。なお、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当接するタイミングは、坩堝111内の全ての原料シリコンPS1が溶融されて、シリコン融液MS1として鋳型121内に供給された後のタイミングであればよい。   Further, in the second solidified region forming step, the cooling plate 123 is brought into contact with the lower surface of the mold holding unit 122. Thereby, heat removal from the silicon melt MS1 in the mold 121 to the cooling plate 123 via the mold holding unit 122 is started. Here, for example, as shown in FIG. 15, in the state where the silicon melt MS1 is stored on the first solidified region, the cooling of the silicon melt MS1 from the bottom 121b side by the cooling plate 123 is started. Note that the timing when the cooling plate 123 is brought into contact with the lower surface of the mold holding part 122 is the timing after all the raw material silicon PS1 in the crucible 111 is melted and supplied as the silicon melt MS1 into the mold 121. Good.

第2固化領域形成工程では、鋳型121内のシリコン融液MS1が、第1固化領域から上方に向かう一方向凝固を生じる。ここでは、例えば、図16に示すように、鋳型121内のシリコン融液MS1が底部121b側から冷却されることで、鋳型121内のシリコン融液MS1の一方向凝固が進行する。これにより、第1固化領域上に、第2固化領域が形成される。第2固化領域中の転位などの結晶欠陥は第1固化領域中の結晶欠陥を引き継いで形成されるので、第1固化領域の結晶欠陥を低減することで、インゴット上部を含む第2固化領域においても結晶欠陥の少ない高品質なシリコンインゴットを得ることができる。   In the second solidified region forming step, the silicon melt MS1 in the mold 121 is unidirectionally solidified upward from the first solidified region. Here, for example, as shown in FIG. 16, unidirectional solidification of the silicon melt MS1 in the mold 121 proceeds by cooling the silicon melt MS1 in the mold 121 from the bottom 121b side. Thereby, a second solidified region is formed on the first solidified region. Since crystal defects such as dislocations in the second solidified region are formed by taking over the crystal defects in the first solidified region, by reducing the crystal defects in the first solidified region, in the second solidified region including the upper portion of the ingot. In addition, a high-quality silicon ingot with few crystal defects can be obtained.

ここでは、例えば、製造装置100内の測温部CH1,CH2等によって検出される温度に応じて、鋳型121の上方および側方に配置された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの出力が制御される。そして、例えば、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの付近の温度が、シリコンの融点の近傍程度に保持されればよい。これにより、鋳型121の側方からのシリコンの結晶成長が生じ難く、上方としての+Z方向へのシリコンの結晶成長が生じ易い。   Here, for example, the outputs of the upper mold heater H2u and the lower heater H2l arranged above and on the side of the mold 121 are controlled according to the temperature detected by the temperature measuring sections CH1, CH2, etc. in the manufacturing apparatus 100. The For example, the temperature in the vicinity of the mold upper heater H2u and the lower heater H2l only needs to be maintained in the vicinity of the melting point of silicon. Thereby, silicon crystal growth from the side of the mold 121 is difficult to occur, and silicon crystal growth in the + Z direction as the upper side is likely to occur.

そして、シリコン融液MS1の一方向凝固がゆっくりと進行することで、鋳型121内においてシリコンインゴットが製造され、シリコン融液MS1が全て凝固するとシリコンインゴットの形成が終了する(ステップSq34)。   Then, the unidirectional solidification of the silicon melt MS1 proceeds slowly, whereby a silicon ingot is manufactured in the mold 121, and when the silicon melt MS1 is completely solidified, the formation of the silicon ingot is finished (step Sq34).

第2固化領域における欠陥の密度は前述の第1固化領域の欠陥密度と同様な方法によって確認される。   The density of defects in the second solidified region is confirmed by the same method as that for the first solidified region.

これまで、第1固化領域と第2固化領域を有するシリコンインゴットの形成方法を記述したが、本発明の範囲内であれば上記の方法によらず、適宜変更可能である。例えば、冷却板123を当接している状態で第1固化領域の形成を開始してから、冷却板123の当接状態を解除することで、抜熱量を調整して凝固速度を調整してもよい。また、例えば第1固化領域形成工程では融液を断続的に供給することで融液面の上昇速度を小さくし、第2固化領域形成工程では融液を連続的に供給することで融液面の上昇速度を大きくしてもよい。   So far, the method of forming a silicon ingot having the first solidified region and the second solidified region has been described. However, the method can be appropriately changed without depending on the above method as long as it is within the scope of the present invention. For example, even if the formation of the first solidified region is started while the cooling plate 123 is in contact with the cooling plate 123 and the contact state of the cooling plate 123 is released, the heat removal amount can be adjusted to adjust the solidification rate. Good. Also, for example, in the first solidified region forming step, the melt surface is supplied intermittently to reduce the rising speed of the melt surface, and in the second solidified region forming step, the melt surface is supplied continuously. You may increase the ascending speed.

<(2−3)まとめ>
以上のように、本実施形態では、鋳型を準備する工程と、前記鋳型内にドーパントを含んでいるシリコン融液を供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が減少する第1固化領域を形成する工程と、前記鋳型内にドーパントを含んでいるシリコン融液をさらに供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が増加して最大のドーパント濃度を有する第2固化領域を形成する工程と、を有する。また、前記第1固化領域を形成する工程において、前記鋳型内で前記シリコン融液の凝固速度が前記鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度以上になるようにした。また、前記第2固化領域を形成する工程において、前記鋳型内で前記シリコン融液の凝固速度が前記鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度よりも小さくなるようにした。さらに、前記鋳型を準備する工程において、前記鋳型の内壁に炭素および窒素の少なくとも一方を含有する離型材層を形成するようにした。
<(2-3) Summary>
As described above, in the present embodiment, a step of preparing a mold and a silicon melt containing a dopant in the mold are supplied to form a first solidified region in which the dopant concentration decreases as the solidification rate increases. And a step of further supplying a silicon melt containing a dopant in the template to form a second solidified region having a maximum dopant concentration by increasing the dopant concentration as the solidification rate increases. Further, in the step of forming the first solidified region, the solidification rate of the silicon melt in the mold is set to be equal to or higher than the rising rate of the upper surface of silicon supplied into the mold. Further, in the step of forming the second solidified region, the solidification rate of the silicon melt in the mold is made smaller than the rising rate of the upper surface of silicon supplied into the mold. Further, in the step of preparing the mold, a release material layer containing at least one of carbon and nitrogen is formed on the inner wall of the mold.

本実施形態によれば、インゴット底面近傍の転位および、底面近傍から上部方向へ伝播する転位を低減することができるので、インゴット全体の転位密度が小さく、変換効率の高い太陽電池素子の作製に適した達結晶シリコンインゴットを提供することができる。   According to this embodiment, dislocations near the bottom of the ingot and dislocations propagating from the vicinity of the bottom to the upper direction can be reduced, so that the dislocation density of the entire ingot is small and suitable for the production of a solar cell element with high conversion efficiency. A crystal silicon ingot can be provided.

<(2−4)シリコンインゴット>
本実施形態に係る多結晶のシリコンインゴットは、固化率が増加する方向における内部に、固化率の増加とともに比抵抗値が増大して最大となる領域を有しており、底部から順に、固化率の増加とともに比抵抗値が増加する傾向を有する第1部位と、固化率の増加とともに比抵抗値が減少する傾向を有し最小の比抵抗値を有する第2部位と、を備えている。これに対し、従来の多結晶シリコンインゴットは、固化率の増加とともにドーパントの偏析係数に対応して比抵抗値が増加するので、例えば、偏析係数が1より小さいドーパントを使用した場合は底部(固化率0%)において比抵抗が最大になり、偏析係数が1より大きいドーパントを使用した場合は上部(固化率100%)において比抵抗が最大になる。
<(2-4) Silicon ingot>
The polycrystalline silicon ingot according to the present embodiment has a region in which the specific resistance value increases and increases as the solidification rate increases, in the direction in which the solidification rate increases. The first portion has a tendency that the specific resistance value increases with the increase in the number, and the second portion has a minimum specific resistance value with a tendency that the specific resistance value decreases as the solidification rate increases. In contrast, the conventional polycrystalline silicon ingot has a specific resistance value corresponding to the segregation coefficient of the dopant as the solidification rate increases. For example, when a dopant having a segregation coefficient of less than 1 is used, the bottom (solidification) When the dopant having a segregation coefficient larger than 1 is used, the specific resistance is maximum at the upper portion (solidification rate 100%).

固化率の増加とともに比抵抗値が増大して最大となる領域を有するのは、凝固初期(すなわちインゴット底部)に高濃度のドーパントを含む領域を形成しているためであり、これにより、前述のようにインゴット中の転位等の結晶欠陥を低減できる。   The reason why the specific resistance value increases and becomes the maximum as the solidification rate increases is that a region containing a high concentration of dopant is formed at the initial stage of solidification (that is, the bottom of the ingot). Thus, crystal defects such as dislocations in the ingot can be reduced.

転位などの結晶欠陥は、シリコンインゴットの各断面における上述したエッチング処理によって、エッチピットとして顕微鏡を用いた観察によって観察できる。   Crystal defects such as dislocations can be observed by observation using a microscope as etch pits by the above-described etching treatment in each cross section of the silicon ingot.

なお、第1固化領域および第2固化領域において比抵抗値が最大となる固化率は0%よりも大きく30%以下であればよく、特に12%以上で24%以下であればさらによい。なぜなら、第1固化領域が薄いと第2固化領域における転位低減効果が不十分となり、第1固化領域が厚いと鉄などの不純物濃度の増加、および、過冷却による転位の増加のために、インゴット全体での素子特性は低下するからである。   Note that the solidification rate at which the specific resistance value is maximum in the first solidified region and the second solidified region may be greater than 0% and 30% or less, and more preferably 12% or greater and 24% or less. This is because, if the first solidified region is thin, the dislocation reduction effect in the second solidified region is insufficient, and if the first solidified region is thick, the concentration of impurities such as iron increases and the dislocation increases due to supercooling. This is because the overall device characteristics deteriorate.

インゴットの比抵抗値は例えば0.5Ωcm以上2.1Ω・cm以下であればよい。比抵抗値ρbとキャリアの濃度nの関係式は、ρb=1/(q・μ・n)で表される。ここで、qは電子の電荷で、1.60×10−19C、μは多数キャリア移動度で、室温では、N型基板で約1200cm/V/s、P型基板で約420cm/V/s 程度なので、比抵抗値が上記範囲の時、ドーパントとしてボロンを使用すれば、ドーパント濃度は3.2×1016atoms/cm以上6.5×1015atoms/cm以下である。比抵抗値が大きく(ドーパント濃度が高く)なりすぎると、少数キャリアの増加による暗電流の増大によって太陽電池素子の開放電圧が低下するなどして、太陽電池素子の変換効率が低下する。また、比抵抗値が小さく(ドーパント濃度が高く)なりすぎると、ドーパント原子によるキャリアの散乱の増加による短絡電流の低下、BSF効果の低下による開放電圧の低下などによって太陽電池素子の変換効率が低下する。The specific resistance value of the ingot may be, for example, from 0.5 Ωcm to 2.1 Ω · cm. A relational expression between the specific resistance value ρb and the carrier concentration n is represented by ρb = 1 / (q · μ · n). Here, q is the charge of the electron, 1.60 × 10 −19 C, μ is the majority carrier mobility, and is about 1200 cm 2 / V / s for the N-type substrate and about 420 cm 2 / P for the P-type substrate at room temperature. Since the resistivity is about V / s, when boron is used as the dopant when the specific resistance value is in the above range, the dopant concentration is 3.2 × 10 16 atoms / cm 3 or more and 6.5 × 10 15 atoms / cm 3 or less. . If the specific resistance value is too large (dopant concentration is too high), the conversion efficiency of the solar cell element is lowered, for example, the open circuit voltage of the solar cell element is lowered due to an increase in dark current due to an increase in minority carriers. Moreover, if the specific resistance value is too small (dopant concentration is too high), the conversion efficiency of the solar cell element decreases due to a decrease in short circuit current due to an increase in carrier scattering by dopant atoms, a decrease in open circuit voltage due to a decrease in BSF effect, etc. To do.

また、上述の通り、第1固化領域において炭素および窒素等が多く存在していれば、つまり、第1固化領域において炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、第2固化領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きければ、インゴットに取り込まれた炭素および窒素等が前述のドーパントによる結晶欠陥低減効果と同様の役割を果たしうるので好適である。   Further, as described above, if a large amount of carbon, nitrogen, or the like is present in the first solidified region, that is, the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the first solidified region is the carbon in the second solidified region. If it is larger than the sum of the atomic density of nitrogen and the atomic density of nitrogen, carbon and nitrogen incorporated in the ingot can play the same role as the crystal defect reducing effect by the dopant described above.

なお、炭素および窒素の原子密度は、前述のとおり、例えば、第1および第2固化領域PS2、PS3の各断面を対象とした、SIMSによって計測される。   Note that the atomic density of carbon and nitrogen is measured by SIMS, for example, for each cross section of the first and second solidified regions PS2 and PS3 as described above.

<(2−5)太陽電池素子>
上述した本実施形態に係るシリコンインゴットから切り出されるシリコン基板は、太陽電池素子10の半導体基板として用いられ得る。
<(2-5) Solar cell element>
The silicon substrate cut out from the silicon ingot according to this embodiment described above can be used as a semiconductor substrate of the solar cell element 10.

ここで、太陽電池素子10の基本構成について説明する。図22から図24に示すように、太陽電池素子10は、光が入射する受光面(図24における上面)10a、およびこの受光面10aの反対側の面である非受光面(図24における下面)10bを有している。この太陽電池素子10は、半導体基板1を有している。この半導体基板1は一導電型の半導体層である第1半導体層1pと、この第1半導体層1pの受光面10a側に設けられた逆導電型の半導体層である第2半導体層1nとを有している。また、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上には、反射防止層2が設けられている。また、太陽電池素子10は、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上に設けられた第1電極4と、半導体基板1の非受光面10b側の第2主面1b上に設けられた第2電極5とを有している。   Here, the basic configuration of the solar cell element 10 will be described. As shown in FIGS. 22 to 24, the solar cell element 10 includes a light receiving surface (upper surface in FIG. 24) on which light is incident and a non-light receiving surface (lower surface in FIG. 24) that is the surface opposite to the light receiving surface 10a. ) 10b. This solar cell element 10 has a semiconductor substrate 1. The semiconductor substrate 1 includes a first semiconductor layer 1p which is a one-conductivity-type semiconductor layer, and a second semiconductor layer 1n which is a reverse-conductivity-type semiconductor layer provided on the light-receiving surface 10a side of the first semiconductor layer 1p. Have. An antireflection layer 2 is provided on the first main surface 1 a on the light receiving surface 10 a side of the semiconductor substrate 1. Further, the solar cell element 10 includes a first electrode 4 provided on the first main surface 1 a on the light receiving surface 10 a side of the semiconductor substrate 1 and a second main surface 1 b on the non-light receiving surface 10 b side of the semiconductor substrate 1. And a second electrode 5 provided.

次に、太陽電池素子10のより具体的な構成例について説明する。まず、半導体基板1として一導電型(例えば、p型)を有するシリコン基板が用意される。シリコン基板としては、本発明に係るシリコンインゴットの製造方法によって製造されたシリコンインゴットが、所望の形状のブロックに切り出された後に、マルチワイヤソー装置等が用いられて薄切りにされることで基板状にされたものが用いられ得る。半導体基板1の厚さは、例えば、300μm以下であればよく、さらに、200μm以下であれば、資源の有効利用等による太陽電池素子10の製造コストの低減が図られ得る。   Next, a more specific configuration example of the solar cell element 10 will be described. First, a silicon substrate having one conductivity type (for example, p-type) is prepared as the semiconductor substrate 1. As a silicon substrate, after the silicon ingot manufactured by the method for manufacturing a silicon ingot according to the present invention is cut into blocks having a desired shape, the substrate is formed into a substrate shape by using a multi-wire saw device or the like to make a thin slice. Can be used. The thickness of the semiconductor substrate 1 may be, for example, 300 μm or less, and if it is 200 μm or less, the manufacturing cost of the solar cell element 10 can be reduced by effective use of resources.

シリコンインゴットの導電型がp型とされるためのドーパントとなる元素としては、例えば、ホウ素が用いられる。シリコンインゴットにおけるホウ素の濃度が、1×1016〜1×1017[atoms/cm]程度であれば、シリコン基板における比抵抗は、0.2〜2Ω・cm程度となる。シリコン基板に対するホウ素のドーピング方法としては、例えば、適量のホウ素元素の単体、あるいはホウ素の含有濃度が既知である適量の原料シリコンが、シリコンインゴットの製造時に混合される方法が採用されればよい。For example, boron is used as an element serving as a dopant for making the conductivity type of the silicon ingot p-type. If the boron concentration in the silicon ingot is about 1 × 10 16 to 1 × 10 17 [atoms / cm 3 ], the specific resistance of the silicon substrate is about 0.2 to 2 Ω · cm. As a method for doping boron into the silicon substrate, for example, a method in which an appropriate amount of elemental boron element or an appropriate amount of raw silicon having a known boron concentration is mixed at the time of manufacturing the silicon ingot may be employed.

半導体基板1がp型の導電型を呈するシリコン基板である場合、半導体基板1における第1主面1a側の表層部にリン等の不純物が拡散されることで、第2半導体層1nが形成され得る。そして、第1半導体層1pと第2半導体層1nとはpn接合領域を形成している。   When the semiconductor substrate 1 is a silicon substrate exhibiting p-type conductivity, impurities such as phosphorus are diffused into the surface layer portion on the first main surface 1a side of the semiconductor substrate 1 to form the second semiconductor layer 1n. obtain. The first semiconductor layer 1p and the second semiconductor layer 1n form a pn junction region.

反射防止層2は、受光面10aにおける所望の波長領域の光に対する反射率を低減させて、半導体基板1内に所望の波長領域の光が吸収され易くする役割を果たす。これにより、半導体基板1における光電変換によって生成されるキャリアの量が増大され得る。反射防止層2の素材としては、例えば、窒化シリコン、酸化チタンおよび酸化シリコン等が採用され得る。反射防止層2の素材によって反射防止層2の厚さが適宜設定されることで、反射防止層2の存在によって適当な入射光が殆ど反射しない条件(無反射条件)が実現されればよい。例えば、半導体基板1がシリコン基板である場合、反射防止層2の屈折率は、1.8〜2.3程度であればよく、反射防止層2の厚さは、500〜1200Å程度であればよい。   The antireflection layer 2 serves to reduce the reflectance of the light receiving surface 10a with respect to light in a desired wavelength region, and facilitate the absorption of light in the desired wavelength region in the semiconductor substrate 1. Thereby, the amount of carriers generated by photoelectric conversion in the semiconductor substrate 1 can be increased. As a material of the antireflection layer 2, for example, silicon nitride, titanium oxide, silicon oxide, or the like can be employed. By appropriately setting the thickness of the antireflection layer 2 depending on the material of the antireflection layer 2, it is only necessary to realize a condition (non-reflection condition) in which appropriate incident light is hardly reflected by the presence of the antireflection layer 2. For example, when the semiconductor substrate 1 is a silicon substrate, the refractive index of the antireflection layer 2 may be about 1.8 to 2.3, and the thickness of the antireflection layer 2 is about 500 to 1200 mm. Good.

半導体基板1の第2主面1b側には、BSF(Back-Surface-Field)領域1Hpが設けられている。このBSF領域1Hpは、半導体基板1の第2主面1b側に内部電界を形成し、第2主面1bの近傍におけるキャリアの再結合を低減する役割を有している。これにより、太陽電池素子10における光電変換効率の低下が低減され得る。BSF領域1Hpは、第1半導体層1pと同一の導電型を呈しており、BSF領域1Hpが含有する多数キャリアの濃度は、第1半導体層1pが含有する多数キャリアの濃度よりも高い。なお、半導体基板1がp型を呈する場合、例えば、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にホウ素またはアルミニウム等のドーパントとなる元素が拡散されることで、BSF領域1Hpが形成され得る。このとき、BSF領域1Hpにおけるドーパントの濃度は、例えば、1×1018〜5×1021atoms/cm程度であればよい。A BSF (Back-Surface-Field) region 1Hp is provided on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1. The BSF region 1Hp has a role of forming an internal electric field on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1 and reducing carrier recombination in the vicinity of the second main surface 1b. Thereby, the fall of the photoelectric conversion efficiency in the solar cell element 10 can be reduced. The BSF region 1Hp has the same conductivity type as the first semiconductor layer 1p, and the concentration of majority carriers contained in the BSF region 1Hp is higher than the concentration of majority carriers contained in the first semiconductor layer 1p. When the semiconductor substrate 1 is p-type, for example, an element serving as a dopant such as boron or aluminum is diffused in the surface layer portion on the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1 to form the BSF region 1Hp. obtain. At this time, the concentration of the dopant in the BSF region 1Hp may be about 1 × 10 18 to 5 × 10 21 atoms / cm 3 , for example.

第1電極4は、図22に示すように、第1出力取出電極4aと、複数の線状の第1集電電極4bとを有している。第1出力取出電極4aの少なくとも一部は、第1集電電極4bと交差している。第1出力取出電極4aの線幅は、例えば、1.3〜2.5mm程度であればよい。一方、第1集電電極4bの線幅は、第1出力取出電極4aの線幅よりも狭く、例えば、50〜200μm程度であればよい。また、複数の第1集電電極4bは間隔を有して配されている。この間隔は、1.5〜3mm程度であればよい。また、第1電極4の厚さは、10〜40μm程度であればよい。なお、第1電極4には、複数の第1集電電極4bの一端部同士および他端部同士をそれぞれ繋ぐ線状の補助電極4cが含まれていてもよい。補助電極4cの線幅は、例えば、第1集電電極4bの線幅と同等であればよい。上記構成を有する第1電極4は、例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第1主面1a上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。銀ペーストは、例えば、銀の粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されればよい。銀ペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であればよい。   As shown in FIG. 22, the first electrode 4 has a first output extraction electrode 4a and a plurality of linear first current collecting electrodes 4b. At least a part of the first output extraction electrode 4a intersects the first collector electrode 4b. The line width of the 1st output extraction electrode 4a should just be about 1.3-2.5 mm, for example. On the other hand, the line width of the 1st current collection electrode 4b is narrower than the line width of the 1st output extraction electrode 4a, for example, should just be about 50-200 micrometers. In addition, the plurality of first current collecting electrodes 4b are arranged with an interval. This interval may be about 1.5 to 3 mm. Moreover, the thickness of the 1st electrode 4 should just be about 10-40 micrometers. The first electrode 4 may include a linear auxiliary electrode 4c that connects one end portions and the other end portions of the plurality of first current collecting electrodes 4b. For example, the line width of the auxiliary electrode 4c may be equal to the line width of the first current collecting electrode 4b. The 1st electrode 4 which has the said structure can be formed by baking, after apply | coating the silver paste to the area | region of the desired pattern on the 1st main surface 1a of the semiconductor substrate 1, for example. The silver paste may be generated by mixing, for example, silver powder, glass frit, organic vehicle, and the like. The silver paste application method may be, for example, a screen printing method.

第2電極5は、図23に示すように、第2出力取出電極5aと第2集電電極5bとを有している。第2出力取出電極5aの厚さは、例えば、10〜30μm程度であればよい。第2出力取出電極5aの線幅は、1.3〜7mm程度であればよい。この第2出力取出電極5aは、上述の第1電極4と同等の材質および製法で形成され得る。例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。また、第2集電電極5bの厚さは、15〜50μm程度であればよい。この第2集電電極5bは、半導体基板1の第2主面1bの第2出力取出電極5aが形成される領域の大部分を除く略全面に形成されている。この第2集電電極5bは、例えば、アルミニウムペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。アルミニウムペーストは、例えば、アルミニウムの粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されればよい。アルミニウムペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であればよい。   As shown in FIG. 23, the second electrode 5 has a second output extraction electrode 5a and a second collector electrode 5b. The thickness of the 2nd output extraction electrode 5a should just be about 10-30 micrometers, for example. The line width of the second output extraction electrode 5a may be about 1.3 to 7 mm. The second output extraction electrode 5a can be formed of the same material and manufacturing method as the first electrode 4 described above. For example, the silver paste can be formed by being applied to a desired pattern region on the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and then firing. Moreover, the thickness of the 2nd current collection electrode 5b should just be about 15-50 micrometers. The second current collecting electrode 5b is formed on substantially the entire surface of the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 except for most of the region where the second output extraction electrode 5a is formed. The second current collecting electrode 5b can be formed, for example, by applying an aluminum paste to a region of a desired pattern on the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and then baking it. The aluminum paste may be generated, for example, by mixing aluminum powder, glass frit, organic vehicle, and the like. The method for applying the aluminum paste may be, for example, a screen printing method.

<(2−6)シリコンインゴットの具体例>
<(2−6−1)シリコンインゴットの製造>
ここでは、図1で示されたシリコンインゴットの製造装置100および図3から図12で示されたシリコンインゴットの製造方法を用いて、表1に示す条件1〜4によって本実施形態の一具体例に係るシリコンインゴットを製造した。条件1〜4では、シリコン融液MS1の供給速度を調整するために、坩堝111の下部開口部111boの面積を変更した。また、鋳造初期の凝固速度を調整するために、鋳型121の予熱温度を変更した。得られたインゴットの固化率と比抵抗値の関係を図27に、またインゴットにおける固化率とドーパント濃度との関係を図28に示す。また、図27から読み取った、各インゴットの比抵抗値が最大となる固化率(第1固化領域の範囲)を表1に示す。
<Specific example of (2-6) silicon ingot>
<(2-6-1) Production of silicon ingot>
Here, using the silicon ingot manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1 and the silicon ingot manufacturing method shown in FIG. 3 to FIG. A silicon ingot according to the above was manufactured. Under conditions 1 to 4, the area of the lower opening 111bo of the crucible 111 was changed in order to adjust the supply speed of the silicon melt MS1. Further, the preheating temperature of the mold 121 was changed in order to adjust the solidification rate at the initial casting. FIG. 27 shows the relationship between the solidification rate and specific resistance value of the obtained ingot, and FIG. 28 shows the relationship between the solidification rate and dopant concentration in the ingot. Further, Table 1 shows the solidification rate (the range of the first solidification region) at which the specific resistance value of each ingot is maximum, as read from FIG.

Figure 0006224703
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シリコンインゴットの製造装置100では、坩堝111の素材として、石英硝子を用いた。また、鋳型121は、側壁部121sおよび底部121bからなる炭素繊維強化炭素複合材料(CCM)製鋳型を使用した。鋳型121の底面の1辺は345mmの正方形状とした。   In the silicon ingot manufacturing apparatus 100, quartz glass is used as a material for the crucible 111. The mold 121 was a carbon fiber reinforced carbon composite material (CCM) mold having a side wall 121s and a bottom 121b. One side of the bottom surface of the mold 121 was 345 mm square.

そして、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されることで、離型材層Mr1が形成された。ここでは、窒化シリコンの粉末、酸化シリコンの粉末、およびバインダ溶液としてのPVA水溶液が混合されてスラリー状とされた離型材が用いられた。   And the mold release material layer Mr1 was formed by apply | coating the mold release material to the inner wall face of the casting_mold | template 121. FIG. Here, a release material in which a silicon nitride powder, a silicon oxide powder, and a PVA aqueous solution as a binder solution were mixed to form a slurry was used.

次に、坩堝111内に総量が約90kgの多数の原料シリコンPS1を投入した。このとき、原料シリコンPS1には、ドーパントとなる元素としてのホウ素を混合した。   Next, a large number of raw material silicon PS1 having a total amount of about 90 kg was put into the crucible 111. At this time, the raw material silicon PS1 was mixed with boron as an element serving as a dopant.

次に、鋳型121の周囲に配された鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、鋳型121に対する予熱が開始された。この予熱によって、400℃〜600℃まで鋳型底部121bが加熱された。予熱温度が小さいほど凝固初期の凝固速度が大きくなる。つまり、鋳型底部の予熱温度は、条件1>条件4>条件2>条件3であるので、シリコン融液の供給量が同じであれば凝固初期の凝固速度は、条件1<条件4<条件2<条件3となる。   Next, preheating of the mold 121 was started by the mold upper heater H2u and the lower heater H2l arranged around the mold 121. By this preheating, the mold bottom 121b was heated to 400 ° C to 600 ° C. The lower the preheating temperature, the higher the solidification rate at the initial stage of solidification. That is, since the preheating temperature at the bottom of the mold is Condition 1> Condition 4> Condition 2> Condition 3, the solidification rate in the initial stage of solidification is as follows: Condition 1 <Condition 4 <Condition 2 <Condition 3 is satisfied.

また、坩堝111の周囲に配置された坩堝上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって、坩堝111内に配された原料シリコンPS1の加熱が開始された。これにより、原料シリコンPS1が、融点を超える1414℃以上で且つ1550℃以下程度の温度域まで加熱され、徐々に溶融した。このとき、坩堝111内の原料シリコンPS1のうちの下部開口部111boの近傍に配されている部分については、鋳型121の上方に配置された鋳型上部ヒーターH2uによっても加熱された。   Moreover, the heating of the raw material silicon PS1 disposed in the crucible 111 was started by the crucible upper heater H1u and the side heater H1s arranged around the crucible 111. As a result, the raw material silicon PS1 was heated to a temperature range of 1414 ° C. or higher exceeding the melting point and 1550 ° C. or lower and gradually melted. At this time, a portion of the raw material silicon PS1 in the crucible 111 disposed near the lower opening 111bo was also heated by the mold upper heater H2u disposed above the mold 121.

次に、坩堝111内の原料シリコンPS1がすべて溶解された後、鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給が開始された。条件1〜3と条件4とは、坩堝111の下部開口部111boの径が異なるため、鋳型121に供給される単位時間当たりの融液供給量が異なる。つまり、条件1〜3では条件4と比べて下部開口部111boの径が小さいため単位時間当たりの融液供給量が小さく、融液面の上昇速度が小さい。   Next, after all the raw material silicon PS1 in the crucible 111 was dissolved, the supply of the silicon melt MS1 into the mold 121 was started. Conditions 1 to 3 and condition 4 are different in the melt supply amount per unit time supplied to the mold 121 because the diameter of the lower opening 111bo of the crucible 111 is different. That is, in conditions 1 to 3, the diameter of the lower opening 111bo is smaller than in condition 4, so the amount of melt supplied per unit time is small, and the rate of rise of the melt surface is small.

上記製造条件によって、条件1〜3では固化率の増加とともにドーパント濃度が減少する第1固化領域が形成された。第1固化領域の厚みは予熱温度、すなわち凝固初期の凝固速度によって変化し、条件1〜3のそれぞれにおいて、比抵抗値が最大となる固化率はそれぞれ、12%、18%、24%となった。   According to the manufacturing conditions, in conditions 1 to 3, a first solidified region in which the dopant concentration decreases as the solidification rate increases is formed. The thickness of the first solidification region varies depending on the preheating temperature, that is, the solidification rate at the initial stage of solidification, and the solidification rates at which the specific resistance value is maximized are 12%, 18%, and 24%, respectively, in each of conditions 1 to 3. It was.

引き続き坩堝111内から鋳型121内へのシリコン融液MS1の供給と一方向凝固を続けると凝固の進行とともに凝固速度が小さくなり、ついには鋳型内に供給されたシリコンの上面の上昇速度を下回るようになり、凝固中のインゴット上面が融液に完全に覆われると、第2固化領域の形成が始まった。   If the supply of the silicon melt MS1 from the crucible 111 into the mold 121 and the unidirectional solidification are continued, the solidification speed decreases with the progress of solidification, and finally the lowering speed of the upper surface of silicon supplied into the mold is reduced. When the upper surface of the ingot being solidified was completely covered with the melt, the formation of the second solidified region began.

その後、鋳型121へのシリコン融液MS1の供給を終了するとともに、鋳型保持部122の下面に冷却板123を当接し、鋳型121内のシリコン融液MS1を底部121b側から冷却しながら、シリコンインゴットを製造した。このとき、鋳型上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lを用いて加熱した。これにより、シリコン融液MS1の一方向凝固が行われ、その後、空冷によって、鋳型121内にp型のシリコンインゴットが製造された。   Thereafter, the supply of the silicon melt MS1 to the mold 121 is finished, the cooling plate 123 is brought into contact with the lower surface of the mold holding part 122, and the silicon ingot MS1 in the mold 121 is cooled from the bottom 121b side while cooling the silicon ingot. Manufactured. At this time, heating was performed using a mold upper heater H2u and a lower heater H2l. Thus, unidirectional solidification of the silicon melt MS1 was performed, and then a p-type silicon ingot was manufactured in the mold 121 by air cooling.

<(2−6−2)シリコンインゴットの分析および評価>
得られたシリコンインゴットはバンドソーを用いて端部領域を切断するとともに複数のブロックに切断した。ブロックの一つからはさらにバンドソーを用いて10mm程度の厚さを有する評価用シリコン板が作製された。作製されたシリコン板のうち固化率に応じて下部(固化率15%)、中部(固化率50%)、上部(固化率80%)のシリコン板に対して、鏡面仕上げ用のミラーエッチングと結晶欠陥を顕在化するための選択エッチングとを実施した。
<(2-6-2) Analysis and evaluation of silicon ingot>
The obtained silicon ingot was cut into a plurality of blocks while cutting the end region using a band saw. From one of the blocks, an evaluation silicon plate having a thickness of about 10 mm was produced using a band saw. Mirror etching and crystal for mirror finish on the silicon plate of the lower part (solidification rate 15%), middle part (solidification rate 50%) and upper part (solidification rate 80%) according to the solidification rate among the produced silicon plates Selective etching was performed to reveal defects.

ミラーエッチングでは、シリコン板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬、水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥を順に行った。ここで、フッ硝酸溶液は、70質量%硝酸と50質量%フッ酸とが7:2の割合で混合することで生成された。フッ酸水溶液は、純水と50質量%フッ酸とが20:1の割合で混合することで生成された。また、選択エッチングでは、シリコン板に対して、JIS規格H0609に記載の選択エッチング液、すなわち70質量%硝酸と99質量%酢酸と50質量%フッ酸と純水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合した溶液への5分間の浸漬、水洗および乾燥を順に実施した。なお、以下で述べるミラーエッチングおよび選択エッチングについては、全て略同一の条件で行った。   In mirror etching, the silicon plate was sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. Here, the hydrofluoric acid solution was produced by mixing 70 mass% nitric acid and 50 mass% hydrofluoric acid in a ratio of 7: 2. The hydrofluoric acid aqueous solution was produced by mixing pure water and 50% by mass hydrofluoric acid in a ratio of 20: 1. In the selective etching, a selective etching solution described in JIS standard H0609, that is, 70% by mass nitric acid, 99% by mass acetic acid, 50% by mass hydrofluoric acid, and pure water is applied to the silicon plate at 1: 12.7: A 5-minute immersion in a solution mixed at a ratio of 3: 3.7, washing with water, and drying were sequentially performed. Note that mirror etching and selective etching described below were all performed under substantially the same conditions.

その後、シリコン板のエッチング面を撮影し、EPD測定を行った。EPD測定は各シリコン板について、シリコン板のY方向の略中央部における略等間隔の15箇所における矩形状の領域をSEMで観察してエッチピットの数を計測して、これを観察領域の面積で除すことで、EPDを算出した。矩形状の領域は、一辺を250μmとした。測定結果(下部、中部、上部のそれぞれ)および各条件の全領域のEPDの平均値を条件4の全領域の平均値を1として規格化した数値を表2に示す。表2より条件1から3に係るインゴットでは全領域において条件4よりもEPDの値が小さくなっていることがわかった。これは上述したように、第1固化領域の成長初期(すなわちインゴット底部)に高濃度のボロンが含まれることによって、インゴット中の転位密度が低減したためと考えられる。   Thereafter, the etched surface of the silicon plate was photographed and EPD measurement was performed. In the EPD measurement, for each silicon plate, a rectangular region at approximately 15 equidistant positions in a substantially central portion in the Y direction of the silicon plate is observed with an SEM, and the number of etch pits is measured. The EPD was calculated by dividing by. The rectangular area has a side of 250 μm. Table 2 shows the measurement results (each of the lower part, the middle part, and the upper part) and numerical values obtained by normalizing the average value of EPD in all regions under each condition with the average value of all regions in Condition 4 as 1. From Table 2, it was found that in the ingots according to the conditions 1 to 3, the EPD value was smaller than that of the condition 4 in all regions. As described above, this is presumably because the dislocation density in the ingot was reduced by the high concentration of boron contained in the initial growth stage (that is, the bottom of the ingot) of the first solidified region.

Figure 0006224703
Figure 0006224703

また、表3には、条件1および条件4における鉄、炭素、酸素および窒素の原子濃度が示されている。上記選択エッチングが施されたシリコン板について、誘導結合プラズマ質量分析(ICP−MS)によって鉄の原子濃度を測定して、SIMSによって炭素、酸素および窒素の原子濃度を測定した。測定位置は、Z方向において、インゴット底部から0から約20mmの位置とした(SIMSではZ方向に略等間隔の5箇所測定して平均値を算出した)。なお、表3中の「AE+B」の表記は「A×10+B」を示す。Table 3 shows the atomic concentrations of iron, carbon, oxygen and nitrogen under conditions 1 and 4. For the silicon plate subjected to the selective etching, the atomic concentration of iron was measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and the atomic concentrations of carbon, oxygen, and nitrogen were measured by SIMS. The measurement position was set to a position from 0 to about 20 mm from the bottom of the ingot in the Z direction (SIMS measured five points at approximately equal intervals in the Z direction to calculate an average value). In Table 3, “AE + B” indicates “A × 10 + B ”.

Figure 0006224703
Figure 0006224703

表3に示すように、鉄の濃度が条件1において高くなっており、ボロン濃度の高い第1固化領域炭素の形成によって、インゴットの形成中にボロンによる鉄のゲッタリングが起こって、Fe−B結合が形成された可能性が考えられる。また、条件1において、窒素濃度も高くなっており、窒素がボロンと同様に転位低減に寄与したものと考えられる。   As shown in Table 3, gettering of iron by boron occurs during the formation of the ingot due to the formation of the first solidified region carbon having a high boron concentration under the condition 1 and Fe—B. It is possible that a bond has been formed. Moreover, in the condition 1, the nitrogen concentration is also high, and it is considered that nitrogen contributed to the reduction of dislocations like boron.

<(2−6−3)シリコン基板および太陽電池素子の製造>
また、他のブロックはマルチワイヤソー装置を用いて複数のシリコン基板に切断した。このようにして得られたシリコン基板は4探針法によって比抵抗の測定を行い、シリコン基板を用いて太陽電池素子を作製した。
<(2-6-3) Production of silicon substrate and solar cell element>
The other blocks were cut into a plurality of silicon substrates using a multi-wire saw device. The silicon substrate thus obtained was measured for specific resistance by a four-probe method, and a solar cell element was produced using the silicon substrate.

ここでは、上記一具体例に係るシリコンインゴットおよび上記一参考例に係るシリコンインゴットが、シリコンインゴットの底面に平行な面に沿って薄切りにして、半導体基板1に相当するシリコン基板を作製した。そして、得られたシリコン基板を半導体基板1とする太陽電池素子10(図22から図24を参照)が、以下の工程によって作製された。   Here, the silicon ingot according to the specific example and the silicon ingot according to the reference example were sliced along a plane parallel to the bottom surface of the silicon ingot to produce a silicon substrate corresponding to the semiconductor substrate 1. And the solar cell element 10 (refer FIGS. 22-24) which uses the obtained silicon substrate as the semiconductor substrate 1 was produced according to the following processes.

まず、シリコンインゴットを薄切りにすることで、シリコン基板を作製した。このとき、ワイヤソー装置によって、厚さが約200μmであり且つ一辺が約150mmの正方形の盤面を有するシリコン基板を作製した。   First, a silicon substrate was produced by slicing a silicon ingot. At this time, a silicon substrate having a square board surface with a thickness of about 200 μm and a side of about 150 mm was produced by a wire saw device.

次に、各シリコン基板の表層においてシリコンインゴットの切断時に生じたダメージ層が、水酸化ナトリウム溶液によるエッチングによって除去された。   Next, the damage layer generated at the time of cutting the silicon ingot in the surface layer of each silicon substrate was removed by etching with a sodium hydroxide solution.

次に、ドライエッチング法によって半導体基板1の第1主面1aに微細な凹凸によるテクスチャ構造が形成された。そして、POClが拡散源した気相熱拡散法によって、第2半導体層1nならびに該第2半導体層1n上の燐ガラスが形成された。このとき、第2半導体層1nのシート抵抗は、70Ω/□であった。さらに、フッ酸溶液のエッチングによる燐ガラスの除去ならびにレーザービームによるpn分離を行った後に、第1主面1a上にPECVD法によって反射防止層2としての窒化シリコン膜が形成された。Next, a texture structure with fine irregularities was formed on the first main surface 1a of the semiconductor substrate 1 by dry etching. Then, the second semiconductor layer 1n and the phosphor glass on the second semiconductor layer 1n were formed by a vapor phase thermal diffusion method using POCl 3 as a diffusion source. At this time, the sheet resistance of the second semiconductor layer 1n was 70Ω / □. Further, after removing phosphorous glass by etching with a hydrofluoric acid solution and performing pn separation with a laser beam, a silicon nitride film as an antireflection layer 2 was formed on the first main surface 1a by PECVD.

その後、半導体基板1の第2主面1bに、アルミニウムペーストを略全面に塗布して、このアルミニウムペーストを焼成することで、BSF領域1Hpと第2集電電極5bとを形成した。また、半導体基板1の第1主面1a上ならびに第2主面1b上に銀ペーストを塗布して、この銀ペーストを焼成することで、第1電極4と第2出力取出電極5aとを形成した。これにより、太陽電池素子10を作製した。   After that, the BSF region 1Hp and the second current collecting electrode 5b were formed by applying an aluminum paste to the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 over substantially the entire surface and firing the aluminum paste. Also, the first electrode 4 and the second output extraction electrode 5a are formed by applying a silver paste on the first main surface 1a and the second main surface 1b of the semiconductor substrate 1 and firing the silver paste. did. Thereby, the solar cell element 10 was produced.

太陽電池素子はJIS C 8913に基づいて、光電変換効率の測定を行った。この測定結果を固化率の大きさに応じて下部(固化率0%〜33%)、中部(固化率33〜67%)、上部(固化率67%〜100%)それぞれの領域ごとに平均し、条件4の全領域の光電変換効率平均値を1として規格化した数値を表2に示す。条件1から条件3に係るインゴットでは全領域において条件4よりも光電変換効率が大きいことがわかった。   The solar cell element measured the photoelectric conversion efficiency based on JIS C 8913. The measurement results are averaged for each of the lower (solidification rate 0% to 33%), middle (solidification rate 33 to 67%), and upper (solidification rate 67% to 100%) regions according to the size of the solidification rate. Table 2 shows numerical values normalized with the photoelectric conversion efficiency average value of all regions in Condition 4 as 1. It was found that the ingots according to the conditions 1 to 3 have higher photoelectric conversion efficiency than the condition 4 in all regions.

図27には、一具体例に係るシリコンインゴットの固化率と規格化した比抵抗(ρb値)との関係が示されている。比抵抗の分布はドーパントとしてのホウ素の濃度分布に対応する。図27に示すように、条件4に係るシリコンインゴットについては、比抵抗値が最大となる領域は固化率0%となる端部に形成され、固化率の増加とともに比抵抗値が単調に低下している。これに対し、条件1から条件3に係るシリコンインゴットについては、比抵抗値が最大となる領域は端部ではなく、インゴットの内部にあるので、固化率の増加とともに比抵抗値が増加する傾向を有する第1固化領域と、固化率の増加とともに比抵抗値が減少する傾向を有し最大の比抵抗値を有する第2固化領域と、を備えていることが分かった。   FIG. 27 shows the relationship between the solidification rate of a silicon ingot according to a specific example and the normalized specific resistance (ρb value). The specific resistance distribution corresponds to the concentration distribution of boron as a dopant. As shown in FIG. 27, for the silicon ingot according to condition 4, the region where the specific resistance value is maximum is formed at the end where the solidification rate is 0%, and the specific resistance value decreases monotonously as the solidification rate increases. ing. On the other hand, for the silicon ingots according to the conditions 1 to 3, since the region where the specific resistance value is maximum is not in the end portion but in the ingot, the specific resistance value tends to increase as the solidification rate increases. It has been found that the first solidified region has a first solidified region, and the second solidified region has a specific resistance value that tends to decrease as the solidification rate increases.

このような結果から、図28に示すように、第1固化領域の形成初期は、シリコン融液MS1の急速な凝固によって形成されるために偏析係数は1に近づいて、シリコンインゴット中のドーパントであるホウ素の濃度が高くなり、ρb値が小さくなったものと推定される。そして、凝固が進行する(固化率が大きくなる)につれて、凝固速度が小さくなるため、偏析係数は通常の平衡状態(0.8)に近づくため、固化率の増加とともにドーピング濃度が減少し、第1固化領域が形成される。   From these results, as shown in FIG. 28, since the first solidified region is formed by rapid solidification of the silicon melt MS1, the segregation coefficient approaches 1, and the dopant in the silicon ingot It is presumed that the concentration of certain boron has increased and the ρb value has decreased. As the solidification progresses (the solidification rate increases), the solidification rate decreases, so the segregation coefficient approaches the normal equilibrium state (0.8), so that the doping concentration decreases as the solidification rate increases. One solidified region is formed.

融液の供給をさらに続けると、インゴットの成長とともに凝固速度が低下し、凝固速度は融液の供給による融液面の上昇速度を下回るようになる(ステップSq31)。これにより、鋳型121内において、第1固化領域上にシリコン融液MS1が貯留された状態となり、第2固化領域の形成が開始される(ステップSq32)。第2固化領域では条件4に関わるインゴット全領域と同様にと同様に固化率の増加とともにドーパント濃度が増加し、比抵抗値が単調に減少することが図13および図14からわかった。   If the supply of the melt is further continued, the solidification rate decreases with the growth of the ingot, and the solidification rate becomes lower than the rise rate of the melt surface due to the supply of the melt (step Sq31). Thereby, in the casting_mold | template 121, it will be in the state by which the silicon melt MS1 was stored on the 1st solidification area | region, and formation of a 2nd solidification area | region will be started (step Sq32). It was found from FIGS. 13 and 14 that, in the second solidified region, the dopant concentration increases and the specific resistance value monotonously decreases as the solidification rate increases as in the entire ingot region related to Condition 4.

<(3)その他>
なお、本発明は上述の一実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
<(3) Other>
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.

上記一実施形態では、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されたが、これに限られない。例えば、鋳型121内でシリコンインゴットが形成される度に鋳型121およびシリコンインゴットの側面近傍の部分が切断されることで、鋳型121内のシリコンインゴットが取り出される場合には、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されなくてもよい。但し、炭素および窒素の少なくとも一方を含有する離型材が鋳型121の内壁面に塗布されて離型材層Mr1が形成されれば、シリコン融液MS1における組成的過冷却が生じ易く、欠陥の密度が高い第2領域Ar2を含む初期凝固層PS2が良好に形成され得る。   In the above-described embodiment, the release material is applied to the inner wall surface of the mold 121. However, the present invention is not limited to this. For example, each time a silicon ingot is formed in the mold 121, the mold 121 and a portion near the side surface of the silicon ingot are cut, so that when the silicon ingot in the mold 121 is taken out, The release material may not be applied. However, if a release material containing at least one of carbon and nitrogen is applied to the inner wall surface of the mold 121 to form the release material layer Mr1, compositional supercooling in the silicon melt MS1 is likely to occur, and the density of defects is increased. The initial solidified layer PS2 including the high second region Ar2 can be satisfactorily formed.

なお、上記一実施形態およびその他の上記各種態様をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、いうまでもない。   Needless to say, all or a part of each of the above-described embodiment and other various aspects described above can be appropriately combined within a consistent range.

100 製造装置
111 坩堝
121 鋳型
121b 底部
123 冷却板
130 制御部
Ar1〜Ar3 第1〜3領域
Ig1 シリコンインゴット
MS1 シリコン融液
MS1L シリコン融液層
Mr1 離型材層
PS1 原料シリコン
PS2 初期凝固層(第1凝固層)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Manufacturing apparatus 111 Crucible 121 Mold 121b Bottom 123 Cooling plate 130 Control part Ar1-Ar3 1st-3rd region Ig1 Silicon ingot MS1 Silicon melt MS1L Silicon melt layer Mr1 Release material layer PS1 Raw material silicon PS2 Initial solidification layer (1st solidification layer) layer)

Claims (11)

鋳型を準備する第1工程と、
前記鋳型内に第1シリコン融液を供給し、該第1シリコン融液を前記鋳型内の底部上において凝固させることで、第1領域と該第1領域上に該第1領域よりも断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が高い第2領域とを有している第1凝固層を形成する第2工程と、
前記鋳型内の前記第1凝固層上に第2シリコン融液を供給し、該第2シリコン融液を前記第1凝固層から上方に向かう一方向に凝固させて、前記第2領域よりも断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が低い第3領域を有する第2凝固層を形成する第3工程と、
を有するシリコンインゴットの製造方法。
A first step of preparing a mold;
A first silicon melt is supplied into the mold, and the first silicon melt is solidified on a bottom portion in the mold, so that the first region and the first region have a cross section that is more cross-sectional than the first region. A second step of forming a first solidified layer having a second region having a high density of defects that can become etch pits by an etching process;
A second silicon melt is supplied onto the first solidified layer in the mold, and the second silicon melt is solidified in one direction upward from the first solidified layer, so that the cross section is larger than the second region. A third step of forming a second solidified layer having a third region having a low density of defects that can become etch pits by etching in
A method for producing a silicon ingot having
前記第2工程において、前記鋳型内に前記第1シリコン融液を断続的に供給し、該第1シリコン融液を前記鋳型内の前記底部上で凝固させて前記第1凝固層を形成し、
前記第3工程において、前記鋳型内の前記第1凝固層上に前記第2シリコン融液を連続的に供給し、該第2シリコン融液を前記一方向に凝固させて前記第2凝固層を形成する請求項1に記載のシリコンインゴットの製造方法。
In the second step, the first silicon melt is intermittently supplied into the mold, and the first silicon melt is solidified on the bottom in the mold to form the first solidified layer,
In the third step, the second silicon melt is continuously supplied onto the first solidified layer in the mold, and the second silicon melt is solidified in the one direction to form the second solidified layer. The method for producing a silicon ingot according to claim 1 to be formed.
前記第2工程において、前記鋳型内に第1シリコン融液を断続的に供給し、該第1シリコン融液を前記鋳型内の前記底部上で凝固させて前記第1凝固層を形成するとともに、前記鋳型内の前記第1凝固層上にさらに第3シリコン融液を断続的に供給することで前記鋳型内の前記第1凝固層上にシリコン融液層を形成し、
前記第3工程において、前記シリコン融液層上に前記第2シリコン融液を連続的に供給し、前記第2シリコン融液を前記一方向に凝固させて前記第2凝固層を形成する請求項1に記載のシリコンインゴットの製造方法。
In the second step, the first silicon melt is intermittently supplied into the mold, and the first silicon melt is solidified on the bottom in the mold to form the first solidified layer; A silicon melt layer is formed on the first solidified layer in the mold by intermittently supplying a third silicon melt on the first solidified layer in the mold.
In the third step, the second silicon melt is continuously supplied on the silicon melt layer, and the second silicon melt is solidified in the one direction to form the second solidified layer. 2. A method for producing a silicon ingot according to 1.
前記第1工程において、前記鋳型の内壁に炭素および窒素の少なくとも一方を含有する離型材層を形成する請求項1から請求項3の何れか1つの請求項に記載のシリコンインゴットの製造方法。   The method for producing a silicon ingot according to any one of claims 1 to 3, wherein in the first step, a release material layer containing at least one of carbon and nitrogen is formed on an inner wall of the mold. 前記第2工程において、前記第1凝固層を形成する際に、前記鋳型内に前記第1シリコン融液に代えてドーパントを含んでいる第4シリコン融液を供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が減少する第1固化領域を前記第1凝固層内に形成する請求項に記載のシリコンインゴットの製造方法。 In the second step, when forming the first solidified layer, a fourth silicon melt containing a dopant is supplied into the mold instead of the first silicon melt, and the dopant is increased as the solidification rate increases. method for manufacturing a silicon ingot according to claim 1, the first solidified region formed in the first coagulation layer of decreasing concentration. 前記第3工程において、前記鋳型内に前記第2シリコン融液に代えてドーパントを含んでいる第5シリコン融液を供給し、固化率の増加とともにドーパント濃度が増加して最大のドーパント濃度を有する第2固化領域を前記第2凝固層内に形成する請求項1または請求項5に記載のシリコンインゴットの製造方法。 In the third step, a fifth silicon melt containing a dopant is supplied into the mold instead of the second silicon melt, and the dopant concentration increases with an increase in the solidification rate and has a maximum dopant concentration. method for manufacturing a silicon ingot according to claim 1 or claim 5 to form a second solidified region in the second coagulation layer. 底部から順に積層されている第1領域、第2領域および第3領域を備え、
前記第2領域の断面におけるエッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が、前記第1領域および前記第3領域の各断面における前記エッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度よりも高く、
前記第1領域および前記第2領域の厚さの和が前記底部からの高さの2〜20%であるシリコンインゴット。
Comprising a first region, a second region and a third region stacked in order from the bottom,
The density of defects that can become etch pits by the etching process in the cross section of the second region is higher than the density of defects that can become etch pits by the etching process in each cross section of the first region and the third region,
A silicon ingot in which the sum of the thicknesses of the first region and the second region is 2 to 20% of the height from the bottom.
前記第3領域の断面において、前記エッチング処理によってエッチピットとなり得る欠陥の密度が前記第2領域側で最小となる請求項に記載のシリコンインゴット。 8. The silicon ingot according to claim 7 , wherein in the cross section of the third region, the density of defects that can become etch pits by the etching process is minimized on the second region side. 底部から順に積層されていて炭素および窒素を含んでいる、第1領域、第2領域および第3領域を備え、
前記第2領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、前記第1領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きく、かつ前記第3領域における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きいシリコンインゴット。
The first region, the second region, and the third region, which are sequentially stacked from the bottom and contain carbon and nitrogen,
The sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the second region is greater than the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the first region, and the atomic density of carbon in the third region Ingot larger than the sum of the atomic density of nitrogen and nitrogen.
底部から上部方向に向かって、比抵抗値が増加して最大となる領域を有しているシリコンインゴットであって、
前記底部から前記上部方向に向かって、比抵抗値が増加する傾向を有する第1部位と、比抵抗値が減少する傾向を有するとともに最小の比抵抗値を有する第2部位と、を備え、
前記第1部位および前記第2部位がそれぞれ炭素および窒素を含んでおり、前記第1部位における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和が、前記第2部位における炭素の原子密度と窒素の原子密度との和よりも大きいシリコンインゴット。
A silicon ingot having a region where the specific resistance value increases and increases from the bottom toward the top,
A first portion having a tendency to increase in resistivity value from the bottom toward the upper direction, and a second portion having a tendency to decrease in resistivity value and having a minimum resistivity value,
The first part and the second part contain carbon and nitrogen, respectively, and the sum of the atomic density of carbon and the atomic density of nitrogen in the first part is the sum of the atomic density of carbon and the nitrogen in the second part. Silicon ingot larger than the sum of atomic density.
前記第2部位において、比抵抗値が最大となる部位が、前記底部から固化率30%以下の範囲内にある請求項10に記載のシリコンインゴット。 11. The silicon ingot according to claim 10 , wherein in the second portion, a portion having a maximum specific resistance value is within a range of a solidification rate of 30% or less from the bottom portion.
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