JPH11121777A - 結晶リボンの樹枝状ウェブ成長中のドーピング不純物の拡散 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 気体拡散方法に付随した不都合を解消し、既
存の溶解炉で比較的簡単に実施することができ、主ウェ
ブにドーピング不純物を適正に拡散させる方法及び装置
を拡散させる樹枝状ウェブ形成方法及び装置。 【解決手段】 ドーピング用固形ドーピング拡散原料３
３が、溶解炉１０の内部か、炉の外部の炉の出口に隣接
した位置で垂直熱素子３１内に取り付けられたホルダ内
に配置されている。固形拡散原料３３は、熱源として炉
の熱を利用して垂直熱素子３１及び原料ホルダ３４から
の伝熱によって加熱される。任意であるが、垂直熱素子
の周囲に補助加熱コイルを設けて、固形拡散原料の温度
を制御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、太陽エネルギを電
気エネルギに変換する太陽電池の分野に関する。さらに
言えば、本発明は、樹枝状ウェブ光電池技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】太陽エネルギを電気エネルギに変換する
ために光起電力効果を利用した半導体素子を有する太陽
電池が公知である。公知の特定形式の太陽電池は、シリ
コン等の原料物質を炉内で溶解し、適当な機械式引き出
し装置に取り付けた種結晶を用いて溶解原料から炉出口
ポートを通って収容部に達する経路に沿ってゆっくり引
き出す、樹枝状結晶ウェブ成長技法を用いて製造され
る。適当な温度制御状態であると共に適切な引き出し速
度であれば、溶解物質は樹枝状断面を有する結晶ウェブ
を形成し、これを冷却すると、完成結晶ウェブになる。
この方法は、Ｒ．Ｇ．サイデンステッカー（Seidenstec
ker ）の「ジャーナル・クリスタル・グロース」３９号
（１９７７年）の１７〜２２頁の「太陽電池用の樹枝状
ウェブシリコン」に詳しく記載されており、その開示内
容は参考として本説明に含まれる。

【０００３】光起電力効果を高めるため、適当なドーピ
ング技法を用いて結晶ウェブ内に半導体接合を形成しな
ければならない。一般的に使用される技法の１つとし
て、ドーピング物質を結晶ウェブ内へ２つの主ウェブ表
面から拡散させて、逆の導電性を有する第１及び第２拡
散層を形成するドーピング材拡散方法がある。従来は、
ドーピング物質がガス流であって、ウェブ表面を通過し
て流れることによって、ドーピング物質のイオンが結晶
ウェブ物質内に拡散できるようにしたガス拡散方法を用
いて拡散が行われていた。この方法は、必ず結晶ウェブ
形成場所より十分に下流側で実施されなければならず、
一般的に個別の拡散部を必要とするので、樹枝状太陽電
池製造方法がさらに複雑になる。また、気体拡散には
（逆導電性のドーピング物質用の）個別のガス源と、ド
ーピングガス流が周囲へ逃げたり他の装置を汚染しない
ように注意深く設計及び製造されたガス流路が必要であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、気体拡散方
法に付随した不都合を解消し、既存の溶解炉で比較的簡
単に実施することができ、必要濃度のドーピング物質を
得るために固形ドーピング拡散原料物質を用いる、成長
結晶ウェブの主ウェブ表面の一方側または両側にドーピ
ング不純物を適正に拡散させる方法及び装置を含む。

【０００５】

【課題を解決するための手段】方法の観点から見ると、
本発明は、炉内の溶解原料を溶解原料から続く経路に沿
って引き出して、溶解物質を冷却させることによって、
溶解原料から２つの主表面を備えた樹枝状結晶ウェブを
成長させる段階と、成長ウェブが経路に沿って引き出さ
れる時、成長ウェブの２つの主表面の少なくとも一方
を、拡散温度に加熱された固形ドーピング物質に曝す段
階とを備えている、樹枝状ウェブ光電池結晶リボンを製
造する方法である。成長ウェブの両主表面を固形ドーピ
ング物質に曝す時、主表面の一方が第１ドーピング物質
に曝され、他方の主表面が第２ドーピング物質に曝され
る。これらの第１及び第２ドーピング物質は、逆の導電
性を有するドーピング材とすることができる。

【０００６】ウェブの固形ドーピング物質へ曝すのは、
ホルダ内に固形ドーピング物質を熱源に隣接して配置
し、固形ドーピング物質を拡散温度に加熱することによ
って行われる。熱源は、好ましくは固形熱素子を含み、
これは、炉内に含まれる熱を熱素子に加えることによっ
て、または加熱コイルで熱素子を加熱することによって
加熱される。

【０００７】ウェブを固形ドーピング物質に曝す段階
は、炉の内部または炉の外部のいずれでも実施すること
ができる。炉の外部で実施する場合、固形ドーピング物
質を出口ポート付近の熱源と熱接触する状態に配置し、
熱源は、好ましくは従来構造の抵抗ヒータ等の急速加熱
ヒータ固定具を含む。

【０００８】装置の観点から見ると、本発明は、結晶成
長物質の溶解原料を保持する手段と出口ポートを備えた
炉と、溶解物質を溶解原料から出口ポートを通る経路に
沿って引き出して、溶解物質が経路に沿って引き出され
る時、２つの主表面を有する樹枝状結晶ウェブを成長さ
せる手段と、樹枝状結晶ウェブの２つの主表面の少なく
とも一方に向き合わせて経路に沿って配置された固形ド
ーピング物質と、固形ドーピング物質を拡散温度に加熱
することによって、成長樹枝状結晶ウェブを固形ドーピ
ング物質に曝して、２つの主表面の少なくとも一方に拡
散層を形成できるようにする手段とを備えている。固形
ドーピング物質は好ましくは、経路に沿って取り付けら
れて炉の内部、または炉の外部の出口ポートに隣接した
位置のいずれかに配置されたホルダ内に収容される。

【０００９】固形ドーピング物質を加熱する手段は、経
路に沿って配置されてドーピング物質を少なくとも部分
的に包囲する熱素子を含み、固形ドーピング物質は、熱
素子と熱接触する状態に配置されていることが望まし
い。任意であるが、温度制御できるように、補助加熱コ
イルを熱素子の周囲に配置してもよい。加熱手段を炉の
外部に、好ましくは出口ポートに隣接して配置する時、
補助急速加熱外部ヒータ、好ましくは電動式抵抗ヒータ
素子を設ける。

【００１０】装置は、片面または両面ドーピング機能を
備えた構造にすることができる。両面ドーピング材保持
用に配置した時、固形ドーピング物質は、成長樹枝状結
晶ウェブの第１及び第２主表面の一方に向き合わせて配
置された第１ドーピング物質と、樹枝状結晶ウェブの第
１及び第２主表面の他方に向き合わせて配置された第２
ドーピング物質とを含み、第１及び第２ドーピング物質
の各々は、成長樹枝状結晶ウェブの対応の対向主表面の
拡散源として機能するようにしている。第１及び第２ド
ーピング物質は、両面構造において逆の導電性を有する
ドーピング材とすることが望ましい。

【００１１】本発明の性質及び利点をさらに十分理解す
るため、添付の図面を参照しながら以下に詳細な説明を
行う。

【００１２】

【発明の実施の形態】次に図面を参照すると、図１及び
図２は、本発明の第１実施形態を示しており、垂直熱素
子、固形拡散原料及びホルダがウェブ成長炉内に配置さ
れている。図１を参照すると、従来型の炉１０は、出口
ポート１２を有する外壁構造体１１を備えている。壁構
造体１１の出口ポート付近１２に、炉１０内で最初に形
成された結晶リボンの樹枝状ウェブ４０を従来のウェブ
引き出し機構（図示せず）によって引き出して収容部へ
移送できるようにするウェブ引き出し支持部材取付部１
４が固着されている。ウェブ引き出し機構及び収容部は
公知の従来の装置であるので、冗長を避けるためにそれ
の詳細な説明は不必要であろう。

【００１３】炉１０内には、溶解材料（一般的にシリコ
ン）を液体状態に維持している溶解るつぼ（図２の部材
２４）を保持するためのサセプタ２１が配置されてい
る。従来のようにるつぼ内のシリコンを加熱するため、
高周波加熱コイル２３がサセプタ２１の周囲に配置され
ている。サセプタ２１の蓋部分２２の上方に複数のシー
ルド２５が配置されている。シールド２５の中心位置
に、全体を３０で示す原位置拡散材固定具及び固形拡散
原料が配置されている。

【００１４】図２は、サセプタ２１、蓋２２、シールド
２５及び拡散材固定具３０及び固形拡散原料３３の一部
破断斜視図であって、図示のように、固定具３０は、適
当な方法でシールド２５の上表面に固定された垂直熱素
子３１を備えている。垂直熱素子３１は、グラファイト
製であることが好ましく、拡散原料ホルダ３４内に配置
されたドーピング物質である固形拡散原料３３用の加熱
源として機能する。固形拡散原料３３は、リンまたはホ
ウ素等の拡散原料物質の矩形帯材であることが好まし
く、例えばホルダ３４の端部分の内側表面に沿ってスロ
ット３５を形成する等の適当な方法で拡散原料ホルダ３
４内に取り付けることができる。ホルダ３４は、グラフ
ァイト製で、拡散原料３３用の熱安定的な補助ヒートシ
ンクとなることが好ましい。ホルダ３４の本体の上表面
から内側へねじ孔を形成する等の適当な方法で１対のロ
ッド３６がホルダ３４に固着されている。ロッド３６
は、炉１０から上方へ延出して（図１を参照）、出口ポ
ート１２から出てロッド操作固定具（図示せず）に達し
て、ホルダ３４及び原料３３を垂直熱素子３１内に配置
すると共に、それから取り出すことができるようにして
いる。

【００１５】再び図２を参照すると、拡散原料３３は、
上記のウェブ引き出し機構によって上方へ引き出される
成長樹枝状ウェブ４０の主表面４１と向き合う位置に配
置されている。成長ウェブが固形拡散原料３３の領域を
通過する時、拡散原料３３から熱で引き出されたドーピ
ングイオンがウェブ４０の表面及び内部に拡散する。原
料３３の温度、ウェブ４０の引き出し速度、原料３３の
垂直位置、及び原料３３とウェブ４０との間の離隔距離
を制御することによって、所望量及び深さの拡散不純物
濃度をウェブ４０内に得ることができる。引き出し速
度、原料３３とウェブ表面４１との間の離隔距離及び原
料３３の温度は、一般的に実験的に決定される。一般的
な温度範囲は、約９００℃ないし約１０００℃である。
一般的なウェブ引き出し速度は、約１．５ｃｍ／分程度
である。原料３３とウェブ表面４１との間の一般的な離
隔距離は約１００ミル程度である。

【００１６】図１及び図２の実施形態に示されている構
造は、ウェブ４０の一方の主表面側だけに単一の平面的
な拡散原料３３を用いているが、第２拡散原料を成長ウ
ェブ４０の他方の主表面側に向き合わせてホルダ３４内
に配置することによって、成長ウェブ４０の両表面にド
ーピング不純物を同時に拡散させることもできる。その
際第２拡散原料を第１拡散原料とは逆の導電性を有する
物質とすることができる。

【００１７】図１及び図２の実施形態では、垂直熱素子
３１、ホルダ３４及び拡散原料３３の温度が、炉温度の
操作によって制御され、熱素子３１、ホルダ３４及び原
料３３は、シールド２５を介した伝熱と共に炉内の周囲
温度によっても加熱される。図３及び図４の実施形態
は、素子３１、原料３３及びホルダ３４の温度が補助加
熱コイルによっても制御される第１変更実施形態を示し
ている。図１及び図２の実施形態と共通の部材には同一
の参照番号を付けて示す図３及び図４を参照すると、垂
直熱素子３１の周囲に複数の高周波補助加熱コイル５０
が配置されて、これを使用して垂直熱素子３１、ホルダ
３４及び固形拡散原料３３の補助加熱を行うことができ
る。図１及び図２の実施形態の場合と同様に、図３及び
図４の実施形態は、成長ウェブ４０の主表面４２に向き
合う位置に第２固形拡散原料を設けることもできる。

【００１８】図５及び図６は、本発明のさらに別の実施
形態を示している。この実施形態では、炉１０の外部の
出口ポート１２に隣接した位置に設けたヒータ支持支柱
６２に急加熱外部ヒータ固定具６０を取り付けて、成長
ウェブを補助加熱できるようにしている。ホルダ３４及
び固形拡散原料３３は共に、外部ヒータ固定具６０内に
配置されており、これによってこれらの部材への接近が
簡単になって、拡散原料３３の設置及び取り外しが容易
になる。さらに、図５及び図６の実施形態は、垂直熱素
子３１を用いていない。

【００１９】付録Ａとして、垂直熱素子３１、原料ホル
ダ３４、ロッド３６及び付属部材の実際の固定の詳細を
示す５枚の図面が添付されている。

【００２０】本発明は、溶解るつぼから現れる成長樹枝
状ウェブの一方側または両側の主表面にドーピング物質
を原位置拡散させることができることは、明らかであろ
う。この構造は、気体ドーピング拡散原料を用いる必要
がないと共に、そのような拡散原料構造に付随した問題
をなくす。また、固形の平面的な拡散原料は、原料ホル
ダへの設置及びそれからの取り外しが容易になり、固形
拡散原料３３の相対的垂直位置をロッド３６によって容
易に調節して、原料の温度調節を行うことができる。お
そらく最も重要なことであるが、本発明は、樹枝状ウェ
ブ成長処理用の個別の拡散部を設ける必要がなく、この
ため、製造施設を小型化できると共に、樹枝状ウェブ光
電池を製造する時の装置、段取り及び処理作業が簡単に
なる。

【００２１】以上に本発明の好適な実施形態を十分に説
明したが、必要に応じて様々な変更例、代替構造及び同
等物を用いることができる。従って、上記説明は、本発
明の範囲を制限するものではなく、それは添付の請求項
によって定義される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の断面図である。

【図２】図１の実施形態の一部を説明する一部破断斜視
図である。

【図３】本発明の第２実施形態の断面図である。

【図４】図３の実施形態の一部を説明する一部破断斜視
図である。

【図５】本発明の第３実施形態の断面図である。

【図６】図５の実施形態の一部を説明する一部破断斜視
図である。

【符号の説明】

１０ 炉、 ３１ 熱素子、 ３３ 固形拡散原料、
４０ 樹枝状ウェブ、４１ 主表面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹枝状ウェブ光電池用結晶リボンを製造
   する方法であって、 （１）炉内の溶解原料をその溶解原料から続く経路に沿
   って引き出して、溶解物質を冷却させ、溶解原料から２
   つの主表面を備えた樹枝状結晶ウェブを成長させる段階
   と、 （２）成長ウェブが経路に沿って引き出される時、成長
   ウェブの２つの主表面の少なくとも一方を、拡散温度に
   加熱された固形ドーピング物質に曝す段階とを備えてい
   ることを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 樹枝状ウェブ光電池結晶リボンを製造す
   る装置であって、結晶成長物質の溶解原料を保持する手
   段と出口ポートを備えた炉と、溶解物質を溶解原料から
   出口ポートを通る経路に沿って引き出して、溶解物質が
   経路に沿って引き出される時、２つの主表面を有する樹
   枝状結晶ウェブを成長させる手段と、樹枝状結晶ウェブ
   の２つの主表面の少なくとも一方に向き合わせて前記経
   路に沿って配置された固形ドーピング物質と、固形ドー
   ピング物質を拡散温度に加熱することによって、成長樹
   枝状結晶ウェブを固形ドーピング物質に曝し、２つの主
   表面の少なくとも一方に拡散層を形成させる手段とを備
   えていることを特徴とする装置。