JP6370776B2 - 改善された単結晶シリコンの製造 - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池で使用するための結晶シリコンの製造に関する。本発明は特に、一方向凝固法による結晶シリコンの製造に関する。

光電池で使用するためのシリコンウェーハの大部分は、ブリッジマン法等の一方向凝固法を用いて製造される。そのようなプロセスでは、固体シリコン原料をルツボに投入し、その後溶融させて、溶融シリコンを形成する。次いで、結晶シリコンを得るために、固体シリコンインゴットの形態での結晶構造の形成を可能にする一方向プロセスで溶融シリコンを徐々に凝固させる。

従来の一方向凝固法で形成されるシリコンは通常、多結晶シリコンである。したがって、シリコンは、複数の結晶粒構造を含む複雑な構造を有する。成長中に生じる又は材料中の応力によって後で生じる粒界及び転位が、通常、性能を低下させる。その結果、ほぼ転位のない単結晶シリコンで形成された光電池が、多結晶シリコンで形成された光電池より良い性能を提供することが見出されている。

したがって、低コストな単結晶シリコンウェーハを作る可能性が研究されてきた。単結晶シリコンの形成プロセスの１つがチョクラルスキー法として知られている。このプロセスでは、回転させながら溶融シリコンのルツボから徐々に引き上げられる伸張した種結晶上で単結晶シリコンを形成させる。これにより単結晶シリコンの円柱状のロッドが得られる。次いで、これを切断して光電池で使用されるウェーハを形成することができる。

チョクラルスキー法によって形成された単結晶シリコンを含む光電池は、一方向凝固法によって形成された多結晶材料で形成された光電池と比べて向上された効率を提供することができる。これらの利点は主に結晶シリコンの固有の特性により生じるものであるが、その後の加工ステップへのそれらの好適性によっても生じる。例えば、光吸収特性を増強するためにシリコンウェーハの表面にエッチング又はテクスチャー形成ステップを適用することが一般的である。

特に、特定の湿式エッチングプロセスが単結晶シリコンと共に用いられるように開発されている。このプロセスでは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ性溶液が単結晶シリコンウェーハの｛１００｝面に塗布される。これにより、マイクロピラミッドの規則的アレイを含む表面が得られる。この規則的パターンは良好な光吸収特性を示すことが示されている。

上記の湿式エッチングプロセスが作用する機構は、ウェーハへのアルカリ性溶液の異方性効果に基づく。これは、溶液にウェーハの異なる結晶面が異なる速度でエッチングされることを意味し、これにより、上記の規則的なピラミッド状の表面となる。この構造を作るために、ウェーハの表面は｛１００｝結晶面と平行でなければならない。

上記の異方性エッチングプロセスは、結晶構造の方位に一貫性を示さない多結晶ウェーハではそのような利点を提供しない。したがって、通常、多結晶ウェーハには等方性エッチングプロセスが適用される。これらは、不規則な表面テクスチャーを作り出す傾向があり、これは、｛１００｝結晶面に異方性エッチングを適用することで得ることができる規則的ピラミッド構造より光吸収の点で効率が低い。

したがって、チョクラルスキー法によって製造される単結晶ウェーハには明確な利点がある。しかし、１回のプロセスの運転で製造できる結晶シリコンの体積が実際上比較的小さいので、光電池で使用するための大量のウェーハをこのプロセスで製造することは比較的高価であることが分かっている。対照的に、一方向凝固法で使用されるルツボでは、各運転でかなり多くの量のシリコンを取り扱うことができる

したがって、一方向凝固法によって製造される多結晶シリコンはチョクラルスキー法によって製造される単結晶シリコンよりかなり安価である。更に、一方向凝固法中にルツボの内面に窒化珪素コーティングを用いることで、チョクラルスキー法によって形成された結晶シリコンと比較して結晶シリコン中の酸素レベルを下げることができる。酸素不純物はシリコン太陽電池の性能にとって好ましくないことが知られている。したがって、単結晶シリコンの性能的利点と一方向凝固法の経済的及び性能的利点とを組み合わせることがずっと望まれてきた。

近年、一方向凝固法において単結晶シード材料を用いることでこの点に関する進歩があった。そのような技術の１つの例では、一般的シリコン原料を投入する前に単結晶シリコンシード材料をルツボの底に置く。次いで、シリコン原料を溶融した後、一部だけが溶融した単結晶シード材料から徐々に凝固させる。単結晶シード材料は、シリコンインゴット中の結晶構造の基礎（ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）として働く。このようにして、形成されたシリコンインゴットは、少なくとも１つの実質的に単結晶の領域を含む。前述したように、これにより、このようにして形成されたシリコンがその最終目的、例えば光電池に用いられる時、重要な性能的利点が得られる。

シリコンウェーハは、シリコンインゴットの水平方向スライスから形成される。異方性エッチングプロセスで要求されるようにこれらが｛１００｝結晶面を見せることを確実にするために、シード材料を、｛１００｝面が垂直方向に対して直角になるように用意する。

一方向凝固法におけるシード材料の使用は、単結晶材料の成長において幾分の成功を収めることが見出されたが、これは完全に有効又は魅力的ではない。特に、凝固プロセスが進行するにつれて、形成される単結晶シリコンの割合が低下することが見出されている。特に、ルツボの外壁からインゴットの中心へと多結晶領域が漸進的に更に延びていく。その結果、最終的なインゴットは、多結晶領域に囲まれた中央単結晶領域を含み、多結晶領域の面積はインゴットの上の方では更に増える。

実際上、単結晶領域とシード材料又はルツボの底との角度はしばしば４５〜６５度と小さいことが見出されている。したがって、インゴットから切り出されたウェーハはかなりの割合の多結晶材料を含む。このインゴットの多結晶部分は、光電池用途で用いられた時、インゴットの単結晶部分より本質的に電気的な効率が低く、実際、標準的な多結晶材料より低い性能が得られることが見出されている。更に、多結晶部分は前述の異方性エッチングプロセスに不適切である。ウェーハの光吸収効率を制限し、低減された電気性能を提供するだけでなく、この後者の点は更に、単結晶材料で形成されたウェーハ及び多結晶材料で形成されたウェーハのエッチングされた領域間における大きな望ましくない視覚的差異につながる。消費者は均質な見た目のモジュールを好むので、この非常に明白な不均質性は、ソーラーモジュールの製造者がモジュール中でそのようなウェーハを用いることが困難であることを意味する。

インゴット中に多結晶領域が侵入することのもう１つの不利益は、インゴットからシリコンウェーハを形成する際に見られる。具体的には、ワイヤー、特にマルチワイヤーソーイング技術を用いてインゴットを切断することが提唱されている。そのような技術で用い
られるワイヤーにはダイヤモンド粒子が備わっていることがある。正しい状況では、そのような技術は、ハイスループットな切断されたウェーハを提供することができる。しかし、多結晶シリコンの粒界、欠陥、及び転位により、しばしば、インゴットにシリコンカーバイド等の不純物が埋め込まれることが起こり得る。そのような不純物は、材料の効率を更に低下させるだけでなく、比較的硬く、切断中にダイヤモンドワイヤーを破損させることがある。その結果、多結晶領域は、さほど最適でない切断プロセスを必要とし得る。この問題は、単結晶シードを用いてインゴットを形成する時に特に深刻である。これは、シード材料を完全に溶融させずにシリコン原料の溶融を注意深く制御するためにプロセスでより長い時間が必要となることで、炭素による溶融材料の汚染リスクが上がるためである。

上記の問題を軽減する試みがなされてきた。例えば、米国特許第８，０４８，２２１号に記載されているようにシード材料がルツボの床だけでなくルツボの側壁にも提供され得ることが提唱されている。これは、側壁から単結晶構造を種付してインゴットの側面における多結晶シリコンの成長を回避することを意図している。しかし、この種のプロセスを制御することは極めて困難である。例えば、凝固前に、ルツボ中で溶融シリコンをルツボの床の上に置かれたシード材料までずっと下へと供給するとすると、側壁のシード材料が溶融しないようにすることは困難である。シード材料が溶融すると、その結晶構造が失われるので、シード材料は無効になる。

示唆されているもう１つのアプローチは、シード材料からより高い割合の結晶成長が始まるようにルツボ内の温度分布をより厳密に管理することを含む。例えば、潜在的な制御機構は、ルツボの中心をより強く冷却すること及びルツボの側壁を過度に加熱することを含み得る。しかし、実際上、そのようなプロセスには多くの不利益があり、例えば、インゴット中の応力が増すことでインゴットがひび割れ（ｃｒａｃｋ）し易くなり、双晶粒界及び転位等の欠陥の頻度が増大する。更に、ルツボの側壁に加えられる熱は、エネルギー使用の点でコストとなり、シード材料を溶融させずに実施することが困難である。更に、これらのプロセスの実施は結晶の成長及び生産性を減速する。

したがって、光電池で使用するための結晶シリコンの製造方法を改善することが依然として必要とされている。特に、現行の技術は高品質又は低コストのいずれかのシリコンウェーハを提供するが、これらの側面の両方を同時に改善することが望まれている。

本発明の第１の態様では、光電池で使用するための結晶シリコンの製造方法であって：結晶シリコンシード層をルツボ中に用意する工程であって、シリコンシード層の周辺部がルツボ内壁に面したシード層周辺面を規定し且つシード層の周辺部が少なくとも１つの周辺シードタイルを含む、工程；シード層の上にシリコン原料を供給する工程；シリコン原料及びシード層の上部を溶融することによりルツボ内に溶融シリコンを作り出す工程；溶融シリコンを一方向凝固させてシリコンインゴットを形成する工程を含み、各周辺シードタイルが、周辺シードタイルがルツボ内壁の隣接面とほぼ平行な第１の｛１１０｝結晶面及び溶融シリコンの凝固方向に対してほぼ垂直な第２の｛１１０｝結晶面を含むように配置される方法が提供される。

本発明によれば、シードタイルによって決定される既定の結晶構造をかなりの割合が有するシリコンインゴットを作るための一方向凝固法が提供され得る。第１の｛１１０｝結晶面がルツボ内壁の隣接面に面するように配置され且つ凝固方向に対して垂直な第２の｛１１０｝結晶面を有する周辺シードタイルを用いることにより、シード層の上でルツボの
壁からの多結晶シリコンの浸食がかなり低減することが見出されている。したがって、シード層による種付に成功した結晶構造を有する最終的なインゴットの割合を上昇させることができる。

実際上、それぞれ第１及び第２の｛１１０｝結晶面とルツボ内壁及び凝固方向との間のアラインメントは、わずかなずれがあってもよいと考えられる。好ましくは、各周辺シードタイルの第１及び第２の｛１１０｝結晶面は、各幾何学的アイデンティティーから１５度以内に整合（ａｌｉｇｎ）される。特に各周辺シードタイルの第１の｛１１０｝結晶面は好ましくはルツボ内壁の隣接面に平行な面から１５度以内に整合される。同様に、第２の｛１１０｝結晶面は好ましくは凝固方向に対して垂直な面から１５度以内に整合され得る。

好ましくは、シード層の周辺面は主に｛１１０｝結晶面にある。したがって、シード層周辺面の５０％超がシード層の｛１１０｝結晶面にある。好ましくは、周辺面の少なくとも６０％、７０％、８０％、又は９０％がシード層の｛１１０｝結晶面にある。｛１１０｝結晶面に平行な周辺面の割合が大きいほど、ルツボ内面からの多結晶シリコンの浸食が抑制される領域が大きくなる。

好ましい実施形態では、周辺面は、複数の周辺シードタイルから形成され、周辺シードタイルは少なくとも２つの異なる結晶方位（ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）で配置され、少なくとも２つの結晶方位は溶融シリコンの凝固方向に平行な軸の周りの回転変換（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）によって関係している。複数の方位の複数のシードタイルを提供することにより、｛１１０｝面にあるシード層の周辺端部の割合の増加を増大させることができる。特に好ましい実施形態では、互いに対して９０°である２つの異なる結晶方位がある。これは、矩形又は正方形の断面を有するルツボで特に有用である。

いくつかの好ましい実施形態では、異なる結晶方位を有する周辺シードタイルが少なくとも１つの分離タイルで隔てられる。好ましくは、分離タイルはシリコンシードタイルであり、好ましくは単結晶構造のシリコンシードタイルである。分離タイルの異なる結晶方位は、転位を生じさせる粒界が分離タイルと隣接シードタイルとの接触点で作り出されないように選択される。例えば、小傾角粒界は、転位した部位を作り出し得るその他の種類の粒界を避けるのに有益であり得るが、避けることが好ましい。これらには、周辺シードタイルの場合にそうであり得るように、垂直軸の周りの９０°回転によって得られる２片の結晶シリコンの間に作り出される境界のような境界が含まれ得る。そのような境界から生じる問題を回避するために、分離タイルは、周辺タイル中に存在するのとは異なる、凝固方向に垂直な結晶面を含み得る。例えば、周辺タイルは凝固方向に対して垂直な｛１１０｝面を有するのに対し、分離タイルは溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な｛１００｝結晶面を含み得る。これは、方位の異なる周辺シードタイル間の境界によって生じ得る欠陥及び転位を低減する役割を果たし得る。分離タイルは、それが周辺タイルに隣接する場所で粒界を導入するが、境界はよく限定されており、欠陥につながらない。

いくつかの好ましい実施形態では、少なくとも１対の隣接シードタイルが、隣接シードタイルの少なくとも１対の等価結晶面が水平軸の周りに５〜１５度の角度で傾斜するように配置される。好ましくは、全ての隣接シードタイルがこのように配置され得る。これは更に、シードタイル間の境界での転位の生成を低減し得、その代わりに、インゴットの電気的特性に悪影響を与えない限定された粒界を形成させることが分かっている。角度は好ましくは１０度より大きい。

好ましい実施形態では、シード層は更に、１又は複数の周辺シードタイルに囲まれた少
なくとも１つの中央シードタイルを含む。いくつかの特に好ましい実施形態では、少なくとも１つの中央シードタイルが、１又は複数の周辺シードタイルの結晶方位とは異なる、溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な結晶方位を有する。例えば、少なくとも１つの中央シードタイルは、｛１００｝結晶面に垂直な方向で溶融シリコンの凝固が起こるように配置され得る。この配置は、シリコンインゴット中での別の結晶方位を可能にしつつ、周辺シード層により、シリコンインゴットを、ルツボ内壁からの多結晶シリコンの浸食から保護することを可能にする。

あるいは、又はそれに加えて、シード層は、１又は複数の周辺シードタイルの結晶方位と同じである溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な結晶方位を有する少なくとも１つの中央シードを含み得る。いくつかの実施形態では、複数の中央シードタイルがあり、溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な同じ結晶方位を有するシードタイルが、凝固方向に対して垂直な異なる結晶方位を有するシードタイルによって互いに隔てられている。したがって、所与の結晶方位のシードタイルが、別の結晶方位のシードタイルによって互いに隔てられ得る。その結果、タイル間の境界が結晶方位の変化を表し得る。その結果、シリコンインゴットはシードタイルの異なる方位に整合した領域間の境界を取り込むが、このような境界の影響は、同じ結晶方位のシードタイル間の小さな角度のミスアラインメントによって生じる転位及び欠陥より、インゴットの品質への悪影響が著しく少ないことが見出されている。

好ましくは、方法は更に、インゴットに由来する１又は複数のシリコンウェーハを含む。好ましい実施形態では、シリコンウェーハ形成プロセスは、ワイヤー切断プロセス、好ましくはダイヤモンドワイヤー切断プロセスを含む。このようなプロセスは、ウェーハを形成する時、効率的であり、対費用効果が高く、また、＜１００＞結晶方位に基づく先行技術と比べてシリコンカーバイド不純物のリスクを低減するため、本発明の状況において特に有用である。シリコンカーバイド不純物は比較的硬く、ワイヤー切断プロセスに用いられるワイヤーを破損させ得るかソーの跡を生じさせ得る。

好ましい実施形態では、方法は、シリコンウェーハにエッチングプロセスを適用することを含む。エッチングステップは、異方性又は等方性のいずれかであり得るが、かなりの割合（例えば４０％超）のウェーハ表面が｛１００｝結晶面にある場合には異方性エッチングプロセスを用いることが特に適切であり得る。しかし、モジュールのデザインによっては、セルの反射率が最優先でないこともあり、その場合、シードのデザインはウェーハの電気的特性が最適化されるように選択され得る。そのような場合、ウェーハのほとんどの部位が｛１００｝方位を有さないことがあり得、その場合、等方性エッチングが好ましいことがある。好ましくは、等方性エッチングプロセスは、シリコンの表面に酸を塗布することを含み、好ましい実施形態では、酸はフッ化水素酸（ＨＦ）及び／又は硝酸（ＨＮＯ３）を含み得る。あるいは、酸は硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を含み得る。別の好ましい実施形態では、エッチングプロセスは、リアクティブイオンエッチングプロセス及び／又はプラズマエッチングプロセスを含み得る。

シリコンインゴットが形成される際、シード層の結晶構造パターンに従う準単結晶領域がシード層の上に作り出され、一方、多結晶材料がルツボ壁に隣接して形成され得る。本発明の好ましい実施形態では、シード層と同じ結晶構造を有する単結晶領域の外側の端部とシード層自体との間の平均角度は少なくとも７０度、より好ましくは少なくとも８０度である。これらの端部内のインゴット内部は、高度に転位した部位がないように作製することができる。これは先行技術と比べてかなりの増加であり、先行技術では、シード層の｛１００｝結晶面に垂直に成長が通常起こり、多結晶部分がインゴット中により深く侵入するか、高度に転位した部位のため、材料の平均品質が許容可能な限界より低い。

典型的な配置では、凝固中に固液界面が上方向へ垂直に移動する。すなわち、凝固方向は垂直方向である。垂直方向からのわずかなずれがあってもよい（すなわち、固液界面は完全に平面状でないことがある）が、この文脈における凝固方向とは、優勢な又は平均的な凝固方向を指す。したがって、確実にシード層の｛１１０｝結晶面が凝固方向に対して垂直になるように、この面はほぼ水平に配される。したがって、溶融シリコンの凝固がシード層の｛１１０｝結晶面に対して垂直な方向に起こるようにシード層を配置するために、好ましい実施形態では、｛１１０｝結晶面をルツボの床に平行に配置することが好ましい。実際上、シード層の｛１１０｝結晶面はルツボ床と完全に整合していなくてもよい。しかし、好ましくは、シード層の｛１１０｝結晶面とルツボの床との間の角度は１５度未満、より好ましくは１０度未満、最も好ましくは５度未満である。本発明の利点はこのように完全なアラインメントからわずかにずれがある場合でも明白である。

実際、本発明の好ましい実施形態では、シード層の上に形成されたシリコンインゴットの少なくとも８０％、より好ましくは９０％がシード層の結晶構造と整合した結晶構造を有する。その結果、少なくともこれらのパーセンテージのシリコンインゴットが単結晶材料で形成され得る。インゴット内の単結晶シリコンは単結晶シリコンの１又は複数の別個の部位を含み得る。例えば、シード層は複数のシード層を含み得、その場合、単結晶シリコンの別個の部位が各シードタイルの上に成長し得、各部位は更に１又は少数のセットの境界によって隔てられる。しかし、この分離にも関わらず、各部位における結晶構造の方位は同じであるので、インゴット全体は（多結晶より）単結晶の性質を保持している。

シリコンインゴットの一部は、シード層の上に形成されなくてよい。例えば、典型的には、ルツボの壁に隣接するシリコンインゴットの周辺領域は多結晶シリコンを含む。これはシード層の上に形成されない領域である。例えば、好ましい実施形態ではルツボ壁とシード層との間に隙間を設けてよく、その結果、この隙間上の領域では単結晶材料が形成されない。隙間の、したがって周辺領域の、幅は通常５〜３０ｍｍである。隙間はたった２ｍｍ、更には１ｍｍであってもよく、好ましくは、シリコンシード層とルツボ材料との間の熱膨張の差を補うように維持される。隙間により、結晶形成プロセス中、ルツボのひび割れを避けることができ、結果としてシリコンがルツボの外へ流れるのを避けることができる。

いくつかの実施形態では、シード層の中央部分は同じ結晶方位のシードタイルから形成され得る。同様に、別の実施形態は、その代わりに又はそれに加えて、同じ結晶方位の１又は複数の周辺シードタイルに隣接する中央シードタイルを含み得る。そのような状況では、隣接タイル間のわずかなミスアラインメントにより、小傾角粒界が形成され得る。小傾角粒界により生じる転位の成長はミスアラインメントの角度に比例する。

この影響を低減するために、好ましくは、シード層を単一の単結晶ソースから形成してよい。あるいは、互いに小傾角粒界を形成し得る少なくともそれらのシードタイルを単一の単結晶ソースから形成してもよい。特に、方法は、チョクラルスキー法により単結晶ソースを形成することを含み得る。シード層に単一のソースを用いることは、シードタイルのアラインメントを改善するに役立ち、その結果、インゴット中に生じる欠陥の量を低減する。

本発明の第２の態様では、第１の態様の方法によって形成されたシリコンウェーハが提供される。そのようなシリコンウェーハを含む光電池も提供される。光電池を含むモジュールも提供される。このようなウェーハは、比較的大きな割合又は更には１００％の単結晶シリコンを含むので、光電池中での良好な性能を提供する。

本発明の第３の態様では、一方向凝固による結晶シリコンの製造に用いるための充填さ
れたルツボが提供され、ルツボは結晶シリコンシード層を含み、シリコンシード層の周辺部は、ルツボ内壁に面したシード層周辺面を規定する複数のシードタイルから形成され、各周辺シードタイルは、ルツボ内壁の隣接面に平行な第１の｛１１０｝結晶面及びルツボを横切る水平方向に延びる第２の｛１１０｝結晶面を含むように配置されている。

添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

本発明の好ましい実施形態と共に用いるためのルツボ及び炉の断面図である。 チョクラルスキー法を用いて得られる単結晶シリコンソースを示す図である。 立方形を形成する後処理の後の図２Ａの単結晶シリコンソースを示す図である。 図２Ａ及び２Ｂの単結晶ソースから形成された複数の単結晶シードタイルを示す図である。 本発明の第１の好ましい実施形態に係るシード層を形成するためのシードタイルの配置の平面図である。 図３のシード層内で用いられるメインタイルの結晶構造を示す図である。 図３のシード層内で用いられるエッジタイルの結晶構造を示す図である。 隣接シリコンタイル中の等価結晶面の傾斜を示す図である。 上面が｛１００｝結晶面にあるシードタイルからの結晶シリコンの好ましい成長方向を示す図である。 上面が｛１１０｝結晶面にあるシードタイルからの結晶シリコンの好ましい成長方向を示す図である。 先行技術の方法に係るシリコンインゴットの成長を示す図である。 本発明の方法に係るシリコンインゴットの成長を示す図である。 複数のウェーハへのシリコンインゴットの分割を示す図である。 アルカリテクスチャー及び反射防止コーティングと共に先行技術の方法によって形成されるシリコンウェーハを示す図である。 酸テクスチャー及び反射防止コーティングと共に本発明の方法によって形成されるシリコンウェーハを示す図である。 本発明の第２の好ましい実施形態に係るシード層を形成するためのシードタイルの配置の平面図である。 図９のシード層内で用いられる第１の結晶方位のシードタイルの結晶構造を示す図である。 図９のシード層内で用いられる第２の結晶方位のシードタイルの結晶構造を示す図である。 図９のシード層内で用いられる第３の結晶方位のシードタイルの結晶構造を示す図である。 小さな角度のミスアラインメントがある２つのシードタイル間の接合部で発生している欠陥及び転位を示す図である。 異なる結晶方位のシードタイル間の接合部で発生している粒界を示す図である。 本発明の第３の好ましい実施形態に係るシード層を形成するためのシードタイルの配置の平面図である。 図１２のシード層内で用いられる分離タイルの結晶構造を示す図である。

図１に関して、炉ホットゾーン２内にルツボ１が備え付けられている。炉ホットゾーン
２の壁は高温に耐えられるグラファイト又は同様な材料で形成され得る。好ましい実施形態では、図１に示される炉ホットゾーン２は、マルチインゴット炉（ｍｕｌｔｉ−ｉｎｇｏｔ ｆｕｒｎａｃｅ）内の複数のホットゾーンの１つである。各ホットゾーン２は、図１に示されているものとほぼ同様であり得る。

図１の実施形態は、結晶シリコンを製造するための一方向凝固法で用いるのに適している。そのような一方向凝固法としては、ブリッジマン法及びＶｅｒｔｉｃａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ法が含まれる。

ルツボ１は、好ましくは、窒化珪素のコーティングでコーティングされたシリカで形成される。コーティングは、結晶プロセス中及び結晶プロセスが行われた後にルツボから結晶シリコンを取り出す間に固形シリコンがルツボの壁に固着しないようにする助けとなる。結晶プロセス中にルツボ１の構造を支持するために、サポートプレート５をルツボに隣接して設けてもよい。好ましい実施形態のサポートプレート５は、グラファイト又はシリコンカーバイドコーティンググラファイトで形成される。あるいは、プレート５は二酸化珪素に関して化学的に不活性な別の材料、例えば窒化珪素で形成され得る。

本発明の好ましい実施形態は、ルツボ１の上及び下に配置されたヒーター３を更に含む。好ましい実施形態では、ヒーター３は、それらを電流が通過すると熱の形態で電力を放散する抵抗ヒーターである。ヒーター３はグラファイトで形成され得る。ヒーター３は、結晶シリコンの製造に必要な温度を生成できるべきであり、そのような温度は、炉の上部で摂氏１６００度までであり得る。

図１に示される好ましい実施形態のルツボ１には、単一シリコンスラブ６、単結晶シリコンタイル７で形成されたシード層、及びシリコン原料８が充填されている。シリコンタイル７はシリコンスラブ６の上に置かれ、シリコン原料８はシリコンタイル７の上に配される。シリコンタイル７は、それらの上面が｛１１０｝結晶面中にあるように配置される。以下の図３を参照して説明されるように、シリコンタイルはメインタイル７１及びエッジタイル７２を含み、メインタイル７１及びエッジタイル７２の結晶構造は垂直軸の周りに互いに９０°回転している。

シリコンスラブ６は、好ましくは実質的に平面状であり、好ましい実施形態では、ほぼ平面状の多結晶シリコンである。特に、シリコンスラブ６は、多結晶インゴットを与える一方向凝固法を用いて得られ得る。次いで、多結晶インゴットが切断されてシリコンスラブ６が形成され得る。この切断ステップにはバンドソーが用いられ得る。

シリコンスラブ６は、概ね同じアラインメントの隣接シリコンタイル７間の小さな角度のミスアラインメントの可能性を低減する点で有益であり得る。しかし、シリコンスラブ６は必須ではなく、特に、隣接シリコンタイル７の方位が異なる場合、必要でないことがある。シリコンスラブ６が提供されていない場合、シリコンタイル７はルツボ１の床に直接置かれ得る。

シリコンスラブ６は通常、厚さが１〜３ｃｍであり、ルツボ１の床全体を全てではないがほぼカバーする。必要であればシリコンスラブ６の厚さは０．２〜１０ｃｍ等、別の厚さであってもよい。好ましい一実施形態では、ルツボの床のサイズ６８ｃｍ×６８ｃｍに対して、シリコンスラブ６はおよそ６３ｃｍ×６３ｃｍである。

シリコンスラブ６は好ましくはルツボ床のサイズよりわずかに小さい。例えば、シリコンスラブ６とルツボ１の壁との間に少なくとも０．５ｃｍの隙間が設けられ得る。これにより、製造プロセス中のルツボ１の収縮に備えることができる。このような隙間がないと
、製造プロセス中にルツボ壁１のひび割れが生じ易くなる。シリコンスラブ６とルツボ壁との間の典型的な隙間は１ｃｍ又は２ｃｍであり得るが、必要であれば隙間はこれより大きくてもよい。シリコンタイル７とルツボ１の側壁との間にも同様な隙間が形成される。

シリコンスラブ６は、シリコンタイル７で形成されたシード層を受けるための平坦な上面を提示する。シリコンスラブは、全てのシリコンタイル７のアラインメントを支持するのに充分な大きさである。例えば、シリコンタイル７の面積は、シリコンスラブ６の面積と同じであり得る。しかし、異なっていてもよく、シリコンスラブ６の面積はシリコンタイル７の面積より大きくてもよく、わずかに小さくてもよい。

好ましい実施形態では、シリコンタイル７は同じ単結晶ソース９から全て切り出され、特にチョクラルスキー法によって作られた単結晶ソース９から全て切り出される。シリコンタイル７は同じソースから全て切り出されるので、それらをシリコンスラブ６上に置く時、それらの結晶構造を正確に整合することができる。特に、異なるソース９が形成される毎に、結晶構造及び物理的構造の相対的アラインメントがわずかに異なり易くなる。したがって、シリコンタイル７が異なるソースから切り出されている場合、タイル内の結晶構造が完全に整合するようにすることは困難である。したがって、全てのシリコンタイル７が同じソース９から形成されることが好ましい。

しかし、ルツボ１の所望の割合にわたってシード層を形成するのに充分な材料を個々のソースが提供しないこともある。そのような場合、できるだけ少数のソース９からシリコンタイル７を形成することが好ましい。

チョクラルスキー法によって得られる単結晶ソース９の例を図２Ａに示す。この図に見られるように、単結晶ソース９は円柱状の輪郭を示す。タイル７は、ソース９の平行な長手平面に沿って（例えば、図２Ａ中の点線に沿って）切断することで作られる。通常、このステップの前に、円柱から曲がった端部を切断して例えば図２Ｂに示されるような全体的に又は部分的に立方形の構造を形成する。次いで、図２Ｃに示されるように、立方形構造を長手方向に切断してタイル７を形成する。

図３は、ルツボ１内のシリコンスラブ６上のシリコンタイル７の平面図である。シリコンタイル７は、２つの異なる結晶方位で提供される。これらを以降、第１の結晶方位を有するメインタイル７１、７３及び第２の結晶方位を有するエッジタイル７２と呼ぶ。メインタイル７１、７３は、シリコンスラブ６の大部分を横切って並べて配され、エッジタイル７２の間に延びる。エッジタイル７２は、メインタイル７１、７３の末端を横切って延び、ルツボ壁の内面に隣接する。

シード層の端部のメインタイルは参照符号７３を用いて参照され、端部から離れて配されたものは参照符号７１で参照される。端部のメインタイル７３はエッジタイル７２と共に周辺シードタイルとして理解することができ、残りのシードタイル７１は中央シードタイルである。

メインタイル７１、７３及びエッジタイル７２は、｛１１０｝結晶面がルツボ１を横切る水平方向に延びるように配置される。したがって、｛１１０｝面は、一方向凝固法中、結晶シリコンの成長方向に対して垂直である。すなわち、成長は＜１１０＞方向に起こる。実際上、このことは、凝固プロセス中に固液界面が＜１１０＞方向に移動することを意味する。以下に更に詳細に説明するように、これは、この方向における結晶成長速度を上昇させることが見出されており、これにより単結晶構造で形成される結晶シリコンの割合を増やすことができる。

各シードタイルは平面図中で矩形の輪郭を有する。メインタイル７１、７３は、長さｌ１及び幅ｗ１を有する矩形平面輪郭を有し、長さｌ１は幅ｗ１より大きい。同様に、エッジタイル７２は長さｌ２及び幅ｗ２を有する矩形平面輪郭を有し、長さｌ２は幅ｗ２より大きい。好ましい実施形態では、長さｌ１は４５〜６５ｃｍであり、幅ｗ１は４５〜６５ｃｍであり、長さｌ２は４５〜６５ｃｍであり、幅ｗ２は３〜１７ｃｍである。タイルの高さｈはメインタイル７１、７３及びエッジタイル７２の両方で同じであり、好ましい実施形態では２〜３ｃｍである。

｛１１０｝結晶面に上面を有する直方体（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃｕｂｏｉｄ）結晶シリコンタイルでは、一対の端面（ｅｄｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ）も｛１１０｝結晶面にあり、第２の対の端面は｛１００｝結晶面にある。これは、メインタイル７１、７３の面に対して垂直な結晶方向を示す図４Ａ及びエッジタイル７２の面に対して垂直な結晶方向を示す図４Ｂに示されている。図４Ａ及び４Ｂの両方で、タイルの長さに沿って延びるタイルの端面は｛１１０｝面に平行であり、タイルの幅に沿って延びる端面は｛１００｝面に平行であることを見てとれる。

ルツボ１に置かれたメインタイル７１、７３の結晶構造は全ての次元で整合される。しかし、エッジタイル７２の結晶構造は、メインタイル７１の結晶構造に垂直な軸の周りに９０度回転している。その結果、メインタイルの｛１００｝幅エッジ（ｗｉｄｔｈ ｅｄｇｅ）がエッジタイルの｛１１０｝長さエッジ（ｌｅｎｇｔｈ ｅｄｇｅ）に面する。したがって、ルツボ１の内面に面するエッジタイル７２及びメインタイル７１の長さエッジはどちらも｛１１０｝結晶面中にある。エッジタイル７２の幅エッジだけが｛１００｝面をルツボ１の内面に見せている。このようにして、シードタイル７は、主に｛１１０｝面中にある周辺面をルツボ１の内面に見せている。以下に更に詳細に説明するように、これは一方向凝固法中に成長できる単結晶シリコンの割合の点で有益な効果を提供することが見出されている。

いくつかの好ましい実施形態では、隣接するシードタイル中の一対の等価結晶面間にわずかな傾斜角を導入してもよい。特に、隣接タイルの等価結晶面は水平軸の周りに５〜１５度の角度で回転していてよい。これは、２つのシードタイル間の境界の領域におけるシリコンインゴット中の転位の形成を低減し、その代わりに、シリコンインゴットから形成されるウェーハの電気的特性への有害な作用がより少ない範囲が限定された粒界の形成を生じさせることが見出されている。

この種の配置の例が、シリコンスラブ６の上の図３に示される配置の周辺シードタイル７２、７３を示す側面図を示す図４Ｃに示されている。この場合、エッジタイル７２の結晶構造は、メインタイル７３の水平方向｛１１０｝結晶面と等価なエッジタイル７２の｛１１０｝結晶面が水平面と５〜１５度の角度を形成するように、水平軸の周りにわずかに回転されている。したがって、この場合、等価結晶面は、水平面に最も近い規定された結晶面である。水平軸の周りの等価結晶面のこの小さな角度の相対的回転は全ての隣接するシードタイルの対に適用することができる。

図１に戻り、シードタイル７の上にシリコン原料８が供給されていることを見ることができる。好ましい実施形態のシリコン原料８は複数のシリコン片を含む。これらには、シーメンス法等のプロセスを通して得られるシリコン塊、以前の一方向凝固法に由来する再生シリコン塊、流動床反応器プロセスを通して形成される顆粒状シリコン、又は任意の他の適切なソースに由来するシリコンが含まれる。種々のソースに由来するシリコンの混合物が適宜用いられ得る。

したがって、使用中、本発明の好ましい実施形態は以下のように操作される。最初に、
ルツボ１にシリコンスラブ６、シリコンタイル７、及びシリコン原料８が充填され、ルツボ１は炉ホットゾーン２中に提供される。

ヒーター３を作動させてルツボ１の内容物の溶融段階を開始する。この溶融段階は、ホットゾーン２を好適な温度に加熱することを含む。溶融段階は、内容物の溶融がルツボ１の上部のそれら内容物で開始するように制御される。これは、溶融される最初のルツボ１の内容物がシリコン原料８であることを意味する。溶融段階が続くと、シリコン原料８を通ってシリコンタイル７へ向かって下方向に固液界面が移動する。

シリコンタイル７が乗っているシリコンスラブ６は高い周囲温度中で予測可能に振る舞うので、互いに対するシリコンタイル７の位置及び整合は更に維持される。特に、シリカルツボ１はシリコンと異なり加熱された時に非線形に膨張することが見出されているが、シリコンスラブ６の膨張はそのような条件下でシリコンタイル７の膨張とほぼ一致する。したがって、シリコンスラブ６は、シリコンタイル７がルツボ１に充填された時にシリコンタイル７に与えられた密に詰まった整合された構成をシリコンタイル７が保持することを可能にする、プラットフォームを提供する。

ルツボ１の内容物の溶融プロセスは、少量のシリコンタイル７表面が溶融するまで続けることが許され、その時点で、一方向凝固プロセスが始まる。溶融されるシリコンタイル７の量は、メルトスルーのリスクを最小限に抑えるため及び以下に更に詳細に説明するようにそれらを更なるプロセスで最大限の回数再使用できるようにするために、制限されることが望ましい。しかし、シリコンタイル７の少なくとも一部は、それらが一方向凝固法中のシード材料として働くことができるように溶融しなければならない。

シード層のシリコンタイル７は整合された結晶構造で密に詰められているので、これらは一方向凝固法中に単結晶シードとして働く。

一方向凝固法の開始は、ヒーター３を制御して溶融プロセスを停止させてルツボ１中の溶融材料をシード層から上に向かって徐々に凝固させることを含む。典型的には、プロセスは、システムを監視している訓練を受けたオペレーターによって開始されるが、場合によっては開始の自動制御が適切であることもある。

一方向凝固法中、固液界面の移動方向は、初期溶融プロセス中のその進行と比べて逆転する。凝固が起こると、材料中に結晶構造が形成され、この結晶構造は、シリコンタイル７のシード層中の結晶構造と整合している。メインタイル７１及びエッジタイル７２はどちらもルツボを水平に横切る｛１１０｝面を提供するので、この整合はシリコンインゴット中で維持される。しかし、エッジタイル７２の結晶構造はメインタイル７１の結晶構造と比べて回転していることが分かっており、このことは、メインタイル７１と整合したインゴットの領域とエッジタイル７２と整合した領域との間で結晶構造の転位があることを意味している。この境界は、形成されたインゴット中を垂直に延びるが、比較的制御され、境界を横切るシリコンから形成された光電池の電気的性能に顕著に有害な効果を与えない。更に、このアプローチはルツボの壁からインゴット中への多結晶シリコンの浸食を防ぐことが見出されている。

図５Ａ及び５Ｂを参照して本発明の利点を理解することができる。図５Ａは結晶構造の｛１００｝面中に表面を有する従来のシードタイルを示す図である。一方向凝固中の垂直方向における結晶成長は結晶構造の｛１１１｝面に沿った方向で起こり易いことが分かっている。したがって、シードタイルの各コーナーに記された矢印によって示されるように、結晶成長はシードタイルの端部から内側へと起こり易い。これらの矢印によって規定されるこの部位の外側の領域の上は、ルツボ１の内面からの多結晶シリコンの成長によって
覆われる傾向がある。したがって、ルツボ中で成長が上に向かって進むにつれて、形成される単結晶シリコンの面積が連続的に減少する。鋭角θは、単結晶シリコン成長とルツボ１内の水平面との間の角度を表す。この角度は実際上約４５°であり得る。

図５Ｂは、水平面が結晶構造の｛１１０｝面と平行な、単結晶シリコンの好ましい垂直方向の凝固成長を示す図である。図５Ａとは対照的に、図５Ｂ中では、この好ましい成長が、これも｛１１０｝面にあるタイルの外側端面から、内側へと延びていないことを見ることができる。したがって、結晶シリコンの成長中、シードタイルの｛１１０｝端部を横切るルツボ１内面からの多結晶シリコンの浸食が阻まれる。しかし、シードタイルの｛１００｝端部を横切る、ルツボ１内面からの多結晶シリコンの浸食は、単結晶シリコンの好ましい成長方向がこの点から内側に延びるため、依然として起こり得る。

これらの原則を、図３に示されているシードタイルの配置に当てはめると、メインタイル７１及びエッジタイル７２の長さエッジが、ルツボ１の内面に隣接して配置されるシードタイルによって形成されるシード層の周辺部の主な部分を提供すると理解することができる。長さエッジは｛１１０｝結晶面にあるように配置されることを思い出されたい。その結果、一方向凝固中、メインタイル７１の上の部位中へのルツボ１内面からの多結晶シリコンによる浸食が防止される。エッジタイル７２の幅エッジから幾分の浸食が起こり得るが、これはシードタイル７の配置によって程度が限定される。

その結果、実質的に又は主に単結晶シリコンから形成されたシリコンインゴット１０を形成することができる。例えば、シリコンインゴットは、少なくとも８０体積％の同じ結晶方位の単結晶シリコン、より好ましくは少なくとも９５％の同じ結晶方位の単結晶シリコンで形成され得る。これは、典型的には４０〜７０体積％の単結晶シリコンを実現できる先行技術における｛１００｝面から成長したインゴットに匹敵する。したがって、本発明を用いた改善は明瞭である。更に、先行技術が７０体積％の単結晶シリコンを実現できる場合でも、これは依然として、実際上、ウェーハの大部分は通常インゴットの端部から切り出されるため、インゴットから切り出されたウェーハの約７０％が多結晶及び単結晶材料の混合物を含むことを意味することに留意されたい。アルカリ性テクスチャーエッチと共に用いられる先行技術のウェーハ中のこの材料混合物は、ウェーハの性能を制限し、それらの見た目にとって非常に悪く、これらはどちらもその商業的生存率に悪影響を与える。

ルツボ１内での材料の凝固完了後、炉を開けることができるまでホットゾーン２の温度を徐々に下げ、凝固した材料をルツボ１から取り出す。

図６Ａ及び６Ｂは、成長が｛１００｝面に対して垂直（図６Ａ）及び｛１１０｝面に対して垂直（図６Ｂ）に起こったシード層を用いて形成された典型的なシリコンインゴット１０の比較図である。それぞれの場合で、シリコンインゴットは単結晶領域１１及び多結晶領域１２を含む。単結晶領域の境界は、シード層の表面と（すなわち水平面と）θの角度を成す。｛１００｝面を示すシード層の場合、角度θは約４５〜６５度であることが分かっており（図６Ａ）、一方、｛１１０｝結晶面を有するシード層を用いると、角度θはほぼ９０度である（図６Ｂ）。その結果、｛１１０｝シード層を用いて形成される単結晶材料の割合は有意に増加する。

シリコンインゴット１０が形成された後、これを炉から取り出し、シリコンウェーハへと切断する。ウェーハを切断する前に、通常、ルツボ壁からの汚染を避けるためにシリコンインゴット１０の端部を除去する。更に、最初のシリコンスラブ７及びモノシードタイル７の高さの和とほぼ同じ高さで完全な底面切片を除去する。この底面切片はその後、サイズを削って最初のスラブ６及びタイル７の代用品として再使用することができる。

シリコンインゴット１０を図７に示す。図７は更に、シリコンウェーハを形成するためにそれに沿ってインゴット１０が切られ得る線を示している。図示されているように、シリコンウェーハはほぼ平面状であり、インゴット１０に沿って水平方向に延びる。したがって、シリコンウェーハは｛１１０｝面とほぼ平行に切られる。このようにして、単一のインゴット１０からかなりの数のシリコンウェーハを切り出すことができる。ウェーハは、好ましくは、ダイアモンドワイヤー切断プロセスを用いて切断される。このプロセスでは、ずらりと並んだ平行なワイヤーを用いてシリコンインゴットを複数のウェーハへとスライスする。ソーの各ワイヤーにダイアモンド粒子が固着しており、典型的には溶媒を用いて、シリコンを搬送し、シリコンインゴットから熱を取る。好適なプロセスが、その主題を参照により本明細書に援用する国際公開第２０１１／０３４４３９号に記載されている。好ましい実施形態のシリコンインゴット１０は、インゴット中の多結晶シリコンの量が限定されているため、特にワイヤー切断プロセスに適している。これにより、典型的には多結晶シリコン中に見られる粒界、欠陥、及び転位部で導入されるシリコンインゴット１０中の不純物の可能性が低減される。その結果、特にワイヤーがシリコンカーバイド等の比較的硬い不純物に当たった時にこのような不純物によってしばしば起こり得るワイヤー切断プロセスにおけるワイヤーの損傷の可能性が低減する。

インゴットから切断された後、ウェーハは通常、洗浄、乾燥され、一連の品質測定ツールによって検査される。その後、シリコンウェーハの｛１１０｝面をエッチングして表面積を増やし、それによりウェーハの光吸収効率を向上させる。好ましい実施形態では、このエッチングプロセスは、ウェーハに等方性エッチングを適用することで行われる。等方性エッチングは、ＨＦ及びＨＮＯ３を含む混合物等の酸にウェーハの表面を接触させることを含み得る。使用され得るその他の酸としてはＨ２ＳＯ４が含まれる。酸ベースのエッチングプロセスでは、酸がシリコン表面と反応するとウェーハの表面にテクスチャーが形成される、必要な酸溶液を含む浴に、ウェーハを入れる。テクスチャーは不規則であるが、ウェーハの光吸収特性を向上させることが見出されている。

シリコンウェーハ表面にテクスチャーを施すために別のエッチングプロセスを用いてもよい。例えば、代替的な実施形態では、イオンエッチング又はプラズマエッチングが適用され得る。そのようなプロセスの一例では、ナノインプリントリソグラフィ及びその後のプラズマエッチングを用いてシリコン表面にハニカム構造を作ることができる。そのようなプロセスの例が、その主題を参照により本明細書に援用するProc. of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, 2009, Hamburg, Germanyに公開
されたH. Hauser, A. Guttowski, J. Mick, M. Pfeifer, P. Voisin, M. Hermle, et al
による論文に記載されている。

等方性エッチングプロセスは、単結晶及び多結晶シリコンの両方の領域においてむらのない反応を提供する。その結果、多結晶シリコンの領域がいくらか存在しても、ウェーハの見た目を含む光吸収特性が一貫する。これらの利点は図８Ａ及び８Ｂの比較により明確に見ることができる。図８Ａは、異方性エッチングプロセス及び反射防止コーティング（これら２つのプロセスはベース材料の見た目を決定する）を適用した後の、｛１００｝シード層を用いて形成されたウェーハを示している。この場合、最終的なセル中に明瞭に見える比較的大きな多結晶シリコン領域がある。対照的に、図８Ｂは、好ましい実施形態に従う、｛１１０｝シード層を用いて、その後等方性エッチングプロセスを用いてウェーハをエッチングして形成されたシリコンウェーハを示す図である。この技術を用いることで、多結晶領域の面積がかなり減少するだけでなく、この部位とウェーハの単結晶部分との
間の視覚的差異も減少する。

上記説明は本発明の好ましい実施形態を示している。しかし、当業者には、種々の要素
を適宜変更できることが理解されよう。例えば、｛１００｝等の異なる結晶面でウェーハを形成するためにシリコンインゴット１０を別の角度で切断してもよい。更に、適切であれば、異方性エッチングプロセスを場合により用いてもよい。

上記実施形態は、シード層７中のシードタイルの特定の配置を示している。しかし、別の配置も可能であることが当業者には理解されよう。図９〜１３を参照して第２の好ましい配置を理解することができる。

図９は、第２の好ましい実施形態に係るルツボ１内のシリコンスラブ６上のシリコンタイル７の平面図を示す図である。図９に見られるように、３種類のシリコンタイル７が用意される。これらは、第１結晶方位のシードタイル８１、８４、第２結晶方位のシードタイル８２、及び第３結晶方位のシードタイル８３を含む。

第１結晶方位のシードタイル８１、８４の一部はシード層７の端部に配され、参照符号８１で示され、一方、第１結晶方位の更なるシードタイルはシード層７の端部から離れて配され、参照符号８４で示される。シード層７の端部の第１結晶方位のシードタイル８１及び第２結晶方位のシードタイル８２は周辺シードタイルであり、残りのシードタイルは中央シードタイルである。

第１及び第２結晶方位を有するシードタイル８１、８４、８２は、シリコンスラブ６の寸法に沿って交互に配される。したがって、所与の方位の隣接タイルの各対は、別の方位のタイルによって隔てられる。したがって、同じ方位のシードタイルは隣り合って置かれない。

第１結晶方位のシードタイル８１、８４及び第２結晶方位のシードタイル８２は、チャンバーを横切る水平方向（すなわち、結晶成長方向に垂直）に延びる異なる結晶面を有するように配置される。図３に示される特定の実施形態では、第１結晶方位のシードタイル８１、８４は｛１１０｝結晶面がルツボ１を横切る水平方向に延びるように配置され、一方、第２結晶方位のシードタイル８１は｛１００｝結晶面がルツボ１を横切る水平方向に延びるように配置される。したがって、成長が始まるタイルに応じて、｛１１０｝面又は｛１００｝のいずれかが、一方向凝固法中の結晶シリコンの成長方向に対して垂直である。すなわち、第１結晶方位のシードタイル８１、８４から＜１１０＞方向及び第２結晶方位のシードタイル８２から＜１００＞方向に成長が起こる。実際上、このことは、凝固プロセス中に＜１１０＞又は＜１００＞方向のいずれかに固液界面が移動することを意味する。

第３結晶方位のシードタイル８３は、更に別の方位を含む。しかし、この場合、第３結晶方位のシードタイル８３及び第１結晶方位のシードタイル８１、８４が、ルツボ１を横切る水平方向に等価な結晶面を共有するように配置される。特定の実施形態では、第１結晶方位のシードタイル８１、８４及び第３結晶方位のシードタイル８３は、｛１１０｝結晶面がルツボ１を横切る水平方向に延びるように配置される。したがって、これらの両方の種類のタイルからの成長は＜１１０＞方向に起こる。

図１０Ａ、１０Ｂ、及び１０Ｃはそれぞれ、第１結晶方位のシードタイル８１、８４、第２結晶方位のシードタイル８２、及び第３結晶方位のシードタイル８３を示す図である。各タイルは直方体（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｃｕｂｏｉｄ）構造であり、その寸法が、タイルの平面状の表面に垂直に延びる結晶方向と共に図中に示されている。

シードタイル７はそれぞれ、平面図中で矩形の輪郭を有する。第１結晶方位のシードタイル８１、８４は、長さｌ１及び幅ｗ１を有する矩形平面輪郭を有し、長さｌ１は幅ｗ１
より大きい。同様に、第２結晶方位のシードタイル８２は、長さｌ２及び幅ｗ２を有する矩形平面輪郭を有し、長さｌ２は幅ｗ２より大きい。同様に、第３結晶方位のシードタイル８３は、長さｌ３及び幅ｗ３を有する矩形平面輪郭を有し、長さｌ３は幅ｗ３より大きい。好ましい実施形態では、長さｌ１及びｌ３は４５〜６５ｃｍであり、幅ｗ１及びｗ３は３〜１７ｃｍであり、長さｌ２は４５〜６５ｃｍであり、幅ｗ２は４５〜６５ｃｍである。全てのタイルの高さｈはほぼ同じであり、好ましい実施形態では２〜３ｃｍである。

｛１１０｝結晶面中に上面を有する直方体結晶シリコンタイルでは、一対の端面も｛１１０｝結晶面にあり、第２の対の端面が｛１００｝結晶面にある。これは、第１結晶方位のシードタイル８１、８４及び第３結晶方位のシードタイル８３の面に対して垂直な結晶方向を示している図８Ａ及び８Ｃに見ることがができる。対照的に、図８Ｂに示されているように、第２結晶方位のシードタイル８２の表面は全て｛１００｝結晶面に配されている。

図１０Ａ及び１０Ｃの両方で、第１及び第３の結晶方位のシードタイル８１、８３、８４について、タイルの長さに沿って延びる端面は｛１１０｝面にあり、タイルの幅に沿って延びる端面は｛１００｝面にあることを見ることができる。

第３方位のシードタイル８３の結晶構造は、第１方位のシードタイル８１の結晶構造と比べて垂直軸の周りに９０度回転している。その結果、メインタイルの｛１００｝幅エッジはエッジタイルの｛１１０｝長さエッジに面する。したがって、ルツボ１の内面に面する、第１方位のシードタイル８１及び第３方位のシードタイル８３の長さエッジはどちらも｛１１０｝結晶面にある。ルツボの壁に隣接する第１方位のシードタイル８１、８４及び第３方位のシードタイル８３は、シード層７の周辺面を形成する周辺シードタイルである。第３方位のシードタイル８３の幅エッジだけがルツボ１の内面に｛１００｝面を見せている。このようにして、シードタイル７は、主に｛１１０｝面にある周辺面をルツボ１の内面に見せている。図５Ａ〜６Ｂを参照して上記で説明したように、これは、一方向凝固法中に成長させることができる単結晶シリコンの割合の点で有益な効果を与えることが分かっている。

第１結晶方位のシードタイル８１、８４及び第２結晶方位のシードタイル８２は第１の好ましい実施形態のメインタイル７１、７３に類似していると理解することができ、第３結晶方位のシードタイル８３は第１の好ましい実施形態のエッジタイル７２に類似していると理解することができる。

第１の好ましい実施形態を参照して上記で説明したように、一方向凝固法の間、固液界面の移動方向は、初期溶融プロセス中におけるその進行と比べて、逆転する。凝固が起こると、材料中で結晶構造が形成され、この結晶構造は、シリコンタイル７のシード層中の結晶構造と整合している。第１結晶方位のシードタイル８１、８４及び第３結晶方位のシードタイル８３は、ルツボを横切る水平方向に｛１１０｝面を提供するので、このアラインメントはこれらのタイルの上のシリコンインゴット中で維持される。しかし、第２結晶方位のシードタイル８２の上では、ルツボ１を横切る水平方向に｛１００｝結晶面が提供される。粒界がインゴット中を垂直に成長して｛１１０｝水平結晶面の領域を｛１００｝水平結晶面の領域から隔てる。

粒界は、特に同じ結晶方位の隣接タイル間のわずかなミスアラインメントにより生じる欠陥と比べて、インゴットの電気的特性に悪影響を与えないことが見出されている。これを図１１Ａ及び１１Ｂに示す。

図１１Ａは、小さな角度のミスアラインメントが起こっている、ルツボ１中に並べて置
かれた同一の結晶方位のシードタイルで形成されたインゴットの側面図を示している。欠陥及び転位の領域１００が、シードタイル間の境界で生じており、垂直方向の成長が続くにつれてインゴットの漸増的により大きな範囲にわたっていることを見ることができる。対照的に、図１１Ｂは、２つの異なる方位の隣接タイルを用いて形成されたシリコンインゴットから切断したブロックのＳＥＭＩＬＡＢ画像を示している。粒界１０１は、隣接シードタイルの上のインゴットの領域間で同定され得るが、これらは局所に抑制されており、隣接する欠陥を形成させない。

第３の好ましい実施形態に係るシードタイルの配置を図１２に示す。この配置は、第１の好ましい実施形態に似ており、第１の好ましい実施形態のものと同一に配置されたメインタイル９１、９３及びエッジタイル９２を含む。しかし、第３の好ましい実施形態は更に分離タイル９４を含む。

図１３に示されているように、分離タイル９４は｛１００｝結晶面にある表面を有する。分離タイルは、メインタイル９１、９３からエッジタイル９２を隔てる。特に、メインタイル９１、９３及びエッジタイル９２はどちらも、ルツボを横切る水平方向に｛１１０｝面を提供するが、分離タイル９４は、ルツボ１を横切る水平方向に｛１００｝結晶面を提供する。したがって、一方向凝固中、粒界がインゴット中を垂直方向に成長して｛１１０｝水平結晶面の領域を｛１００｝水平結晶面の領域から隔てる。

上記で図１１Ａ及び１１Bにおいて説明したように、この種の粒界は、特に同じ水平な
結晶方位の隣接タイル間のわずかなミスアラインメントにより生じる欠陥と比較して、インゴットの電気的特性に悪影響を与えないことが分かっている。したがって、分離タイル９４を用いて、メインタイル９１、９３及びエッジタイル９２の間の界面におけるインゴット中のそのような欠陥の数を減らすことができる。

その他の変更例及び改変例が当業者には明らかであろう。そのような変更例及び改変例には、既に知られており、本明細書に記載した構成の代わりに又はそれに加えて用いることができる等価な及び他の構成が含まれ得る。別個の実施形態の文脈中で記載されている構成が１つの実施形態中で組み合わされて提供されてもよい。逆に、１つの実施形態の文脈で記載されている構成が別個の又は任意の好適なサブコンビネーションで提供されてもよい。

Claims (17)

1. 光電池で用いるための結晶シリコンの製造方法であって、
   ルツボ中に結晶シリコンシード層を用意する工程であって、前記シリコンシード層の周辺部が、前記ルツボの内壁に面するシード層周辺面を規定し、前記シード層の前記周辺部が、少なくとも１つの周辺シードタイルを含む、工程；
   前記シード層の上にシリコン原料を供給する工程；
   前記シリコン原料及び前記シード層の上部を溶融することにより前記ルツボ内に溶融シリコンを作り出す工程；
   前記溶融シリコンを一方向凝固させてシリコンインゴットを形成する工程；
   を含み、
   各前記周辺シードタイルが、前記周辺シードタイルが前記ルツボ内壁の隣接面とほぼ平行に整合された第１の｛１１０｝結晶面及び前記溶融シリコンの凝固方向に対してほぼ垂直な第２の｛１１０｝結晶面を含み、
   前記シード層周辺面の少なくとも６０％が第１の｛１１０｝結晶面にあるように配置される、方法。
2. 前記各周辺シードタイルの第１｛１１０｝結晶面が、前記ルツボ内壁の隣接面に平行な面から１５度以内に整合されている、請求項１に記載の方法。
3. 前記周辺面が、複数の周辺シードタイルから形成され、前記周辺シードタイルが、少なくとも２つの異なる結晶方位で配置され、前記少なくとも２つの結晶方位が、前記溶融シリコンの凝固方向に平行な軸の周りの回転変換によって回転されている、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記シード層が、前記１又は複数の周辺シードタイルによって囲まれた少なくとも１つの中央シードタイルを更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも１つの中央シードタイルが、前記１又は複数の周辺シードタイルの凝固方向に対して垂直な結晶面とは異なる、前記溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な結晶面を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの中央シードタイルが、タイルの｛１００｝結晶面に対して垂直な方向で前記溶融シリコンの凝固が起こるように配置される、請求項５に記載の方法。
7. 前記シード層が、前記１又は複数の周辺シードタイルの凝固方向に対して垂直な結晶面と同じ前記溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な結晶面を有する少なくとも１つの中央シードタイルを含む複数の中央シードタイルを含む、請求項４〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記溶融シリコンの凝固方向に対して垂直な同じ結晶面を有するシードタイルが、前記凝固方向に対して垂直な異なる結晶面を有するシードタイルによって互いに隔てられている、請求項４〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 少なくとも１対の隣接シードタイルが、前記隣接シードタイルの少なくとも１対の等価結晶面が水平軸の周りに５〜１５度の角度で傾いているように配置される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記シリコンインゴットから１又は複数のシリコンウェーハを形成する工程を更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記１又は複数のウェーハを形成するステップがワイヤー切断プロセスを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ワイヤー切断プロセスがダイヤモンドワイヤー切断プロセスである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記１又は複数のシリコンウェーハの表面にエッチングステップを適用する工程を更に含む、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記シード層の上に形成される前記シリコンインゴットの少なくとも８０％が、前記シード層の結晶構造と整合した結晶構造を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記シード層が、単一の単結晶ソースから形成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記単結晶ソースをチョクラルスキー法によって形成する工程を更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 一方向凝固による結晶シリコンの製造で用いるための充填されたルツボであって、前記充填されたルツボが結晶シリコンシード層を含み、前記シリコンシード層の周辺部が、前記ルツボの内壁に面するシード層周辺面を規定する複数のシードタイルから形成されており、各前記周辺シードタイルが、前記ルツボ内壁の隣接面に平行な第１の｛１１０｝結晶面及びルツボを横切る水平方向に延びる第２の｛１１０｝結晶面を含み、
    前記シード層周辺面の少なくとも６０％が第１の｛１１０｝結晶面にあるように配置されている、ルツボ。

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