JPH06191814A - シリコン薄板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性が良好でかつ結晶性の改善が図れるシ
リコン薄板の製造方法を提供すること。 【構成】 るつぼ４０内のシリコン融液と気相との界面
を冷却しこの界面でシリコンを析出させて結晶性シリコ
ンの薄板８０を製造する方法であって、上記界面の面方
向に沿って温度勾配を有する冷却器６０をシリコン融液
上の近傍に配置してシリコン融液と気相との界面を冷却
することを特徴とする。この方法によれば、シリコン融
液における冷却温度の高い部位には微小な結晶粒は発生
し難く冷却温度の低い部位にのみ微小な結晶粒がまず発
生し、その後、この結晶粒がシリコン融液面の面方向に
沿ってその冷却温度の低い部位から高い部位へ順次成長
することになるため、平均粒径が大きく結晶性良好な多
結晶シリコン等の薄板を簡便かつ確実に製造することが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、太陽電池用基板等に適
用できる結晶性シリコン薄板の製造方法に係り、特に、
生産性が良好でしかも結晶性の改善が図れるシリコン薄
板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の見地から、火力発
電、原子力発電等に代わる発電手段として太陽電池が注
目されている。すなわち、この太陽電池は太陽光さえ当
たれば発電を行い、しかも二酸化炭素、放射性廃棄物等
を一切排出しないためクリーンなエネルギー源として期
待されている。

【０００３】しかしながら、太陽電池による発電はその
コストが未だ高く、太陽電池が広く一般に普及されるた
めには製造コストの大幅な低減を図ることが必要とな
る。

【０００４】ところで、この太陽電池の代表例として、
単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板を加工して
製造される結晶シリコン系太陽電池が挙げられる。そし
て、前者においては、チョクラルスキー法等でシリコン
融液より引上げられて求められた単結晶シリコンのイン
ゴットから、ダイヤモンド・ソーにより単結晶シリコン
ウェーハを切出して太陽電池用基板としており、また、
後者においてはキャスト法等で多結晶シリコンのインゴ
ットを作製し、同じくダイヤモンド・ソーによりキャス
ト・シリコン・ウェーハを切出して太陽電池用基板とし
ている。

【０００５】しかし、これ等の方法では、結晶性シリコ
ン・インゴットの成長速度が遅いためその生産性が悪
く、しかも、ダイヤモンド・ソーによる切断工程が必要
になるため、その分、製造コストが上昇してしまう欠点
があった。

【０００６】尚、これ等結晶シリコン系太陽電池の製造
に伴う上述した弊害を解消するものとして、アモルファ
スシリコンに代表される薄膜太陽電池も熱心に研究され
ている。しかし、コスト的にも性能的にも、電力用太陽
電池の材料として上記結晶シリコン系太陽電池を凌ぐに
は至っていない。

【０００７】そこで、ダイヤモンド・ソーによる上記切
断工程を必要としない多結晶シリコン薄板の製造方法が
いくつか提案されている。

【０００８】その一例として、シリコン融液からリボン
状のシリコン薄板を引上げるＥＦＧ（Edge-defined Fil
m-fed Growth）法が挙げられる［例えば、“ＥＦＧ cry
stalgrowth technology for low cost terrestrial pho
tovoltaics:review andoutlook”,F.V.Wald et al.,Sol
ar Energy Materials and Solar Cells,vol.23,p.175(1
992),参照］。この方法においては、図４に示すように
溶融したシリコンａのバスｂより、結晶性のシリコン薄
板ｃをシリコン融液面に対し垂直方向へ引上げて製造し
ている。尚、図４中、ｄはリボン、ｅはダイを示してい
る。

【０００９】しかし、この製造方法においてはシリコン
の結晶成長がシリコン融液とシリコン薄板の界面でのみ
しか起こらないため、太陽電池として使用可能な品質の
結晶性シリコンを得るには成長速度として高々数センチ
／分程度に制限しなければならず、従って、生産性に劣
り、太陽電池の低コスト化、大量生産には対応し難い欠
点があった。

【００１０】また、他の例として、カーボン・ファイバ
ー・クロス、グラファイト・シート等の耐熱性材料で作
られたテープを溶融シリコン・バス中を通過させて上記
テープ上に結晶性シリコンを析出させる方法も開発され
ている［例えば、“ Growthof polysilicon sheets on
a carbon shaper by the RAD process”,C.Belouetet a
l.,Journal of Crystal Growth,vol.61,p.615(1983),参
照］。この方法では、溶融したシリコン中あるいは溶融
シリコンの表面に耐熱性テープを通過させ、テープに付
着したシリコン融液を固化させて多結晶シリコンを求め
る方法である。そして、この方法においてはシリコンの
結晶化は必ずしもシリコン融液界面で生じさせる必要は
なく、テープに付着した後の熱処理過程で結晶化させる
ことができるため、上述したリボン状シリコンの作製方
法に較べて成長速度を速められる利点を有している。

【００１１】しかし、この方法においても以下のような
欠点を有していた。

【００１２】まず、この方法においてシリコンはカーボ
ン等の耐熱性テープ上で結晶成長する。このとき、成長
温度（シリコンの融点である１４１０℃以上）から室温
までの冷却中に、シリコンと耐熱性テープとの熱膨張係
数の違いに起因してシリコン内にクラックあるいは各種
の結晶欠陥が発生し易い。そして、シリコン内のこれ等
クラックや結晶欠陥は、太陽電池に適用された場合にそ
の特性を大きく低下させる原因となる。

【００１３】また、上記カーボン等の耐熱性テープは高
純度のものを使用しなければならない。耐熱性テープ内
に不純物が含まれているとこの不純物がシリコンの成
長、結晶化の過程においてシリコン中に拡散され、太陽
電池に適用された場合にその特性を大きく低下させる原
因になるからである。

【００１４】このようにリボン状のシリコン薄板を引上
げるＥＦＧ法においては生産性に難があり、また、耐熱
性テープ上にシリコンを成長させる製造方法においては
太陽電池の特性を低下させてしまう欠点があった。

【００１５】このような技術的背景の下、上記耐熱性テ
ープのような支持基材を必要とせず、しかも高速に結晶
性シリコン薄板が求められる新たな製造方法が提案され
ている。例えば、特開昭５７−２０５３９５号公報にお
いては、るつぼ内のシリコン融液に対しこのシリコン融
液上の近傍に冷却板を配置してシリコン融液と気相との
界面を冷却し、固相シリコンを析出させる方法が開示さ
れており、また、特開昭５５−１４０７９１号公報にお
いては上記シリコン融液面へ冷却ガスを吹付けて固相シ
リコンを析出させる方法が記載されている。

【００１６】そして、シリコン融液と気相との界面を冷
却させて固相シリコンを析出させるこれ等の方法は１段
階プロセスでシリコン薄板が求められ、かつ、原料利用
率が高いと共に、上記切断工程も必要ない等上述した他
の製造方法に較べて優れた利点を有する方法であった。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記シリコ
ン融液上の近傍に冷却板を配置したり、冷却ガスを吹付
けてシリコン融液と気相との界面を冷却させる上記公報
に開示された従来法においては、冷却板等の手段により
シリコン融液表面を均等に冷却し固相シリコンを析出さ
せてシリコン薄板を製造している。

【００１８】しかし、この従来法のようにシリコン融液
表面を均等に冷却すると、シリコン融液面の全体に亘り
微小な結晶粒が瞬時にかつ多量に発生してしまうことか
らシリコン融液面の面方向に沿ったシリコンの結晶成長
が妨げられるため、得られた多結晶シリコン薄板の平均
粒径は小さなものとなりその電気的特性があまり良好で
ない問題点があった。

【００１９】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、生産性が良好で
しかも結晶性の改善も図れるシリコン薄板の製造方法を
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】すなわち、請求項１に係
る発明は、シリコン融液と気相との界面を冷却し、この
界面でシリコンを析出させて結晶性シリコンの薄板を製
造するシリコン薄板の製造方法を前提とし、上記界面の
面方向に沿って温度勾配を有する冷却器を上記シリコン
融液上の近傍に配置してシリコン融液と気相との界面を
冷却することを特徴とするものである。

【００２１】そして、このような技術的手段によれば、
シリコン融液と気相との界面の面方向に沿って温度勾配
を有する冷却器を用いてシリコン融液と気相との界面を
冷却していることから、シリコン融液における冷却温度
の高い部位には微小な結晶粒が発生し難く冷却温度の低
い部位にのみ微小な結晶粒がまず発生し、その後、この
結晶粒がシリコン融液面の面方向に沿ってその冷却温度
の低い部位から高い部位へ順次成長することになるた
め、平均粒径が大きい結晶性良好な多結晶シリコン等の
薄板を確実に製造できる利点を有している。

【００２２】尚、温度勾配を有する上記冷却器の具体例
としては、その底面形状が求めるシリコン薄板と略同一
形状の中空体で構成され、この中空体内には冷媒が循環
されると共に、上記中空体のシリコン融体と対向する側
の一面に勾配を備えたもの等が例示できる。

【００２３】

【作用】請求項１に係る発明によれば、シリコン融液と
気相との界面の面方向に沿って温度勾配を有する冷却器
を上記シリコン融液上の近傍に配置して上記界面を冷却
しており、上記シリコン融液における冷却温度の高い部
位には微小な結晶粒は発生し難く冷却温度の低い部位に
のみ微小な結晶粒がまず発生し、その後、この結晶粒が
シリコン融液面の面方向に沿ってその冷却温度の低い部
位から高い部位へ順次成長することになるため、平均粒
径が大きい結晶性良好な多結晶シリコン等の薄板を確実
に製造することが可能となる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。

【００２５】この実施例に用いられた製造装置は、図１
に示すように電気炉１０と、この電気炉１０内に支持台
１００に固定されて配置された長さ４０ｃｍ、直径１０
ｃｍのアルミナ製反応管２０と、この反応管２０内に黒
鉛製のるつぼ台３０を介して配置された石英製のるつぼ
４０と、上記反応管２０内に配置され上記るつぼ４０内
にフォーク状の先端部位が収納されかつその基端側がレ
バーとして機能する石英製の薄板取出し用部材５０と、
同じく反応管２０内のるつぼ４０の近傍に配置され給気
管６１と排気管６２を備えるグラッシー・カーボン製の
冷却器６０とでその主要部が構成されており、上記給気
管６１の基端側と排気管６２の先端側は反応管２０の開
放部に設けられた蓋部２１の開口部（図示せず）を介し
て摺動自在に取付けられ、また、上記薄板取出し用部材
５０の基端側も上記蓋部２１の開口部（図示せず）に摺
動自在に取付けられており、これ等の取付けにより冷却
器６０と薄板取出し用部材５０のフォーク状先端部位が
上下方向へ移動操作可能になっている。更に、反応管２
０の上方側にはこの反応管２０内を排気しかつこの反応
管２０内に高純度アルゴンガスを導入するための導入口
２２と排気口２３がそれぞれ取付けられている。尚、図
１中９０は断熱材を示す。

【００２６】また、上記冷却器６０は、図２〜図３に示
すように底面形状が４５ｍｍ×４５ｍｍの四角の中空体
６３にて構成され、この中空体６３の底面には水平面を
基準にして約１０度の勾配が設けられており、この中空
体６３内に上記給気管６１と排気管６２を介して冷媒
（常温に設定された窒素ガス）が循環されることにより
水平面方向に沿って数度〜数十度の温度勾配を形成する
ことができるようになっている。

【００２７】そして、上記るつぼ４０内に高純度（高抵
抗）シリコンを投入して図１のようにセットし、上記排
気口２３より排気して反応管２０内の系を１０^-6Ｔｏｒ
ｒにした後、精製カラムを通過させ酸素、水分等を除い
た高純度アルゴンを上記導入口２２より２００ｃｃ／分
で導入して系内の圧力を常圧（１気圧）にした。

【００２８】次に、電気炉１０で系全体の温度を１５０
０℃まで昇温してるつぼ４０内に投入したシリコンを完
全に融解させた後、電気炉１０で系全体の温度を１４５
０℃に設定した。

【００２９】そして、このシリコン融液の液面より５ｍ
ｍの位置に上記冷却器６０を配置し、この冷却器６０内
に２０００ｃｃ／分の条件で上記冷媒を導入して上記シ
リコン融液と気相との界面を冷却し、その界面において
シリコンを析出させた。

【００３０】１０分後に上記冷却器６０と薄板取出し用
部材５０を引上げ（この操作により析出されたシリコン
は融液から引上げられる）、電気炉１０の電源を切って
反応管２０内を室温まで冷却した後、析出されたシリコ
ン薄板８０を上記薄板取出し用部材５０を使って外部に
取出した。

【００３１】製造された薄板８０は、外寸はほぼ４０ｍ
ｍ×４０ｍｍで厚さが約０．６ｍｍの多結晶シリコン板
で、比抵抗は約２０Ω・ｃｍのｎ型シリコンであった。
また、この平均粒径は約６００μｍでありその結晶性が
良好のものであった。

【００３２】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、シリコン
融液と気相との界面の面方向に沿って温度勾配を有する
冷却器を上記シリコン融液上の近傍に配置して上記界面
を冷却しており、上記シリコン融液における冷却温度の
高い部位には微小な結晶粒は発生し難く冷却温度の低い
部位にのみ微小な結晶粒がまず発生し、その後、この結
晶粒がシリコン融液面の面方向に沿ってその冷却温度の
低い部位から高い部位へ順次成長することになるため、
平均粒径が大きく結晶性良好な多結晶シリコン等の薄板
を簡便かつ確実に製造できる効果を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例において使用された製造装置の構成概略
図。

【図２】図１の一部拡大図。

【図３】図３（Ａ）は冷却器の平面図、図３（Ｂ）は図
３（Ａ）のＢ−Ｂ面断面図。

【図４】シリコン薄板を製造する従来例に係る斜視図。

【符号の説明】

４０ るつぼ ６０ 冷却器 ６１ 給気管 ６２ 排気管 ８０ 薄板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン融液と気相との界面を冷却し、こ
   の界面でシリコンを析出させて結晶性シリコンの薄板を
   製造するシリコン薄板の製造方法において、 上記界面の面方向に沿って温度勾配を有する冷却器を上
   記シリコン融液上の近傍に配置してシリコン融液と気相
   との界面を冷却することを特徴とするシリコン薄板の製
   造方法。