JPS61215212A - 多結晶シリコンウエハの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産　土の駒 本発明は、太陽電池等の光電変換素子に用いられる多結
晶シリコンウェハの製造方法に関するものである。

従速！す創４ 多結晶シリコンウェハは各種の方法により製造されてい
るが、代表的方法としては、（ａ）多結晶シリコンを所
定の形状に鋳造し、そのインゴットをスライスすること
によりウェハを製造する方法（特開昭５７−１３４２３
５号他）が公知である。そのほかにも、（ｂ）ノズルよ
り溶融シリコンを噴出し、これを回転ドラムの回転面上
で冷却凝固させ、リボン状結晶を得る方法（特開昭５７
−３９５３０号他）、さらには、（Ｃ）ルツボ中で溶融
したシリコン融液にダイを浸漬し、ダイ内の毛細管現象
によりダイ上端に融液を導出させ、これに種結晶を接触
させた後１種結晶を引き上げてリボン状結晶を成長させ
る方法（特開昭５７−１６６３９４号）が周知である。

■が　゛　しようとする５　占 前述した各従来方法においては、以下に述べるような問
題点が存在する。

（ａ）の方法では、第一にインゴットのスライス時にそ
の５０％以上が損失となり、ウェハのコストが高くなる
点が問題となる。第二には鋳型材質の選択が問題となる
。一般に用いられる石英ルツボでは、シリコンを冷却凝
固させる際にシリコンと鋳型の熱膨張率の違いからシリ
コンインゴットにクラックを生ずることがあり、歩留り
が低下する。

その対策として、−回の鋳造ごとに破壊されるような特
殊なルツボを用いて製造する例もあるが、これでは高価
なルツボを一回ごとに破壊するため製品のコストが高く
なる。また鋳型とシリコンウェハとの離型性にも問題が
あり、離型剤として窒化シリコン、窒化アルミニウム等
の微粉を鋳型内面に塗布して離型性を改良した例が見ら
れるが。

高価な離型剤微粉を毎回鋳型内面に一様に塗り直さねば
ならず、作業の手間の増加とコストの上昇につながる。

一方（ｂ）の方法では、得られるリボンは幅の狭いもの
であり１幅の広いリボンを製造することができず、素子
の大面積化が困璽である。

さらに（ｃ）の方法では、表面状態の良好な結晶を得る
には、結晶の引き上げ速度を小さくせねばならず生産性
が悪化する。またダイには通常黒鉛が用１ぐられている
が、この黒鉛がシリコン融液と反応し、生成結晶の純度
が低下し、太陽電池とした場合に高い光電変換効率のも
のが得られない。

ＥＩ　Ｗを　　するための 本発明は、複数個の扇形凹部を一定間隔で本状に配置し
た円筒状鋳型底抜、この上に嵌合する円筒状鋳型側板お
よび前記鋳型側板内で前記扇形凹部に挿着し、キーによ
り鋳型側板に固定される柱状ブロックからなる鋳型を、
シリコンの融点以上に加熱し、中央孔に設定量のシリコ
ン融液を流し込み、ついで前記中央孔に棒を挿入して各
柱状ブロックの間の隙間にシリコン融液をゆきわたらせ
た後冷却固化することを特徴とする多結晶シリコンウェ
ハの製造方法を提供しようとするものである。

以下図面によって本発明の詳細な説明するが、本発明は
これに限定されるものではない。

まず第２図に示す鋳型側板１を第３図に示す鋳型底板２
に載置する。前者の外径は後者の内径に等しいので両者
は密に嵌合する。鋳型側板の高さはつくる方形ウェハの
高さに等しくし、その上縁には一回の鋳造でつくるウェ
ハの数に等しいキー溝３を設ける。鋳型底板２の底面に
は全面に扇形凹部４を設けるが、その数も一回の鋳造で
っくるウェハの数に等しくする。たとえば８枚のウェハ
をつくるときは円を８等分した扇形とするが、っくるウ
ェハの厚さだけ扇形の両側線５を近づけ、また側線の長
さがウェハの横幅に等しくなるよう小円弧６の半径を決
める。また扇形凹部の大円弧７は鋳型側板１の厚さだけ
鋳型底板２の縁の内壁面より中心に近づける。このよう
にすることにより相隣れる扇形の側線５はつくるウェハ
の厚さだけ離れることになる。さらに鋳型底抜の底面の
中心には六８を設ける。

次に第４図に示す、前記扇形凹部と同形の横断血をもつ
柱状ブロック９を各扇形凹部４に挿着する。各柱状ブロ
ックの大円弧面ｌＯは鋳型側板１の内面に密着する。柱
状ブロックの高さはその上面が鋳型側板の上縁と同じ平
面になるようにする。

柱状ブロックの上面にはキー溝１１を設け、鋳型側板を
まわして同側板のキー溝３と一線に位置させ、これに第
５図に示すキー１２を嵌合させて柱状ブロックを固定す
る。このように組み立てた鋳型Ｕの斜視図を第１図に示
す。相隣れる柱状ブロックの側壁１４の間には、つくる
ウェハと同じ厚さの隙間１５が、また中央には小円弧面
１６により円筒状の中央孔１７が形成される。

次にヒーター（図示せず）により前記鋳型Ｕを加熱し、
シリコンの融点以上の温度に保ち、第７図に示すように
設定量のシリコン融液１８を上から中央孔１７に流し込
む。流し終ったら、第８図に示すよう、中央孔１７に第
６図に示す棒１９を挿入する。

捧１９の先端にはテーパーをつけ、鋳型底板２の底面に
設けた穴８に嵌合させる。棒の半径は中央孔の半径に等
しくするので、シリコン融液はおされて各隙間１５にゆ
きわたる。

ついでシリコン融液および鋳型の冷却を開始し、シリコ
ン融液を固化させる。冷却に際しては、シリコンの融点
付近では徐冷を行う。これは、シリコンの融点付近での
冷却速度が生成ウェハの結晶粒成長に大きく影響し、冷
却速度が速いとウェハ中の結晶粒が小さなものになり、
太陽電池としたときに、光電変換効率が低いものしか得
られないためである。徐冷を行うことにより、結晶粒を
成長させ光電変換効率を高めることができる。棒１９と
中央孔１７の太さは等しいので中央孔にはシリコンはほ
とんどなくなり、歯車状に張り出した複数のウェハ（第
１図の例では８枚）を簡単に一枚づつに切り離すことが
できる。

上記１，２，９．１２．１９の構造部材の材質は、高純
度炭化シリコンの焼結体である。これには通常のα型、
β型の炭化シリコン微粉末が使用可能であるが、望まし
くは結晶子が５０Å以下のβ型炭化シリコンの集合体で
あり、平均粒径が０．０１〜１μｍである球形の高純度
超微粒子状β型多結晶炭化シリコンを用いる。この高純
度超微粒子状β型多結晶炭化シリコンは、一般式（ＣＨ
３）　Ｓｉ　Ｈａ　　　　ｂｅ （ここにｂ＝１〜３．２ｂ＋１≧ａ、　　ａ≧ｂ、　　
２ｂ＋１≧Ｃ≧１．ａ＋ｃ＝２ｂ＋２）で示されるメチ
ルハイドロジエンシラン類を７５０〜１６００℃の温度
で気相熱分解させて得られるものである（特願昭５８−
１５５９１２号参照）。

この高純度超微粒子状β型多結晶炭化シリコンを、不活
性雰囲気下に１７５０〜２５００℃の温度で焼成するこ
とにより焼結体が得られる。使用する微粒子では、Ａｌ
、　Ｃｒ、　Ｃｕ、　Ｆ　ｅ、　Ｍｇ、　Ｍｎ、　Ｎｉ
、　Ｔ　ｉ、　Ｖなどの金属不純物の含有量が１　ｐｐ
ｍ以下であり、焼結助剤なしでも高密度で高強度の焼結
体が得られる。

焼結助剤を添加しないため、焼結体は高純度となり、ま
た耐熱性も向上する。したがって高温におけるシリコン
融液との反応性が低く、鋳造工程におけるシリコンウェ
ハへの不純物の混入が少なく、電気的特性の優れたウェ
ハが得られ、鋳型へのシリコンの析着もおこらない。ま
た鋳型のシリコン融液と接触する部分を鏡面研磨するこ
とにより、冷却されたシリコンウェハの離型性が良好と
なり、表面状態の良好なシリコンウェハを容易に取り出
すことができ、また鋳型の再使用も可能である。

前記方法によれば、−回の鋳造で柱状ブロック９と同数
の多結晶シリコンウェハが製造される。

第１図には柱状ブロック９を８個で示したが１本発明は
これに拘束されるものではなく、数をさらに増やすこと
も可能である。この数を増やすことにより、−回の鋳造
で製造されるウェハの数が増えるので生産性が向上する
。

隙間１５によりウェハの厚さが決定されるが、通常は０
．３〜１．０閣とすることが好ましい。０．３ｎｏより
薄いとウェハの強度が弱くなり、また１、０ｍｍより厚
いと使用するシリコンの量が増えコストの増加につなが
る。シリコンウェハの面積は鋳型Ｕの構成部材により決
定されるので、鋳型を適宜設計することにより所望の面
積のシリコンウェハを得ることかでき、大面積のウェハ
を製造することも可能である。

失胤豊 本発明に係る１、２，９，１２．１９の構造部材は以下
のようにして製造した。

高純度炭化シリコンとして、メチルハイドロジエンシラ
ン化合物を気相熱分解して得られた今純度超微粒子状炭
化シリコン［信越化学工業（株）製、商品名ナノファイ
ンβ］を使用した。１．２．９．１２．１９に対応した
ホットプレス用高純度カーボン鋳型を作成し、高純度超
微粒子状炭化シリコンを焼結助剤を添加せずにカーボン
鋳型に入れ、炉に装入し、減圧脱気した後、系内をアル
ゴンガス雰囲気として２００ｋｇ／ｃｄの加圧下２３０
０℃で１時間保持してから冷却し、得られた炭化シリコ
ン焼結体の表面に付着したカーボンを除去し１表面の研
削およびシリコン融液と接触する部分に鏡面研磨を行い
、所望の寸法の鋳型を製造した。各部分は以下の寸法の
とうりに仕上げた。

鋳型側板１の内径を２１０ｎｍ、高さを１００ｍとし、
鋳型底板２の底面に設けた扇形凹部４の深さを３ｍ、扇
形凹部の下の底抜の厚さを２７ｍ＋＋とじた。柱状ブロ
ック９の側壁１４は高さが１０３ｍ、横幅が１１００ａ
のほとんど正方形であり、扇形横断面の大半径は１０５
■、小半径は３＋ｍ＋である。鋳型側板１の内壁と柱状
ブロック９の大円弧面ｌＯは正確に仕上げて両者が密着
するようにした。８個の極状ブロック９を鋳型側板内に
挿着したとき、隙間１５が０．５ｍになるよう相隣れる
扇形凹部の側線間を決めた。キーは高さ５ｍ、幅Ｌｏｗ
、長さ２０■とし、鋳型側板、柱状ブロックのキー溝は
これが嵌合する形とした。

次に以上のように組合せた鋳型Ｕを不活性ガス中で加熱
し、中央孔に１５００℃に加熱したシリコン融液９７ｇ
を流し込み、ついで棒１９を中央孔１７に挿入した。棒
は全長１２０−で、そのうちｌＬＯｍは直径約６ａｍの
円筒状であり、中央孔に隙間なく入るように仕上げた。

先端部は挿入しやすいようにテーパをつけ六８に密に嵌
合させた。シリコン融液を各隙間１５のすみずみまでゆ
きわたらせた後冷却を開始した。冷却に際してはシリコ
ンの融点付近は特に徐冷し、室温となってウェハを取り
出した。

取りだしたウェハは歯車状になっているが、中心部の円
筒状部分の厚さは薄いために、簡単に一枚づつに切り離
せた。得られた多結晶シリコンウェハは表面状態が極め
て良好であり、電気的特性も、固有抵抗がｌＯΩ・国と
太陽電池用基板として用いるのに極めて好適な特性を有
していた。

及匪立夏来 以上説明したように１本発明によれば、多結晶シリコン
ウェハの製造において以下のような効果がえられる。

イ）第１図に示すような鋳型を用いることにより。

−回の鋳造で多数のウェハを製造することが可能になり
、生産性が向上する。

口）インゴットのスライスでは５０％以上の損失が生じ
ていたが、この損失がなくなり１歩留まりが向上し、コ
ストダウンが可能となる。

ハ）鋳型の大きさを選択することにより、大面積のウェ
ハが得られる。

二）鋳型材質を高純度炭化シリコン焼結体とし。

かつシリコン融液と接触する部分に鏡面研磨を施すこと
により、鋳型の再使用が可能となる。またシリコンウェ
ハ中への不純物の混入も少なく、表面状態のきわめて良
好なウェハがえられる。

本発明によれば以上のような効果が得られ、品質の優れ
た大面積の多結晶シリコンウェハを安価に製造すること
が可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の鋳型の斜視図を、第２図は鋳型側板の
斜視図を、第３図は一部を破断した鋳型底板の斜視図を
、第４図は柱状ブロックの斜視図を。 第５図はキーの斜視図を、第６図は棒の斜視図を。 第７図はシリコン融液を注ぎ込み中の説明図を、第８図
は鋳型に棒を挿入したときの説明図を示す。 １・・・鋳型側板、　　　２・・・鋳型底抜。 ３・・・キー溝、　　　　４・・・扇形２部。 ５・・・側線、　　　　　６・・・小円弧。 ７・・・大円弧、　　　　８・・・穴。 ９・・・柱状ブロック、　　１０・・・大円弧面。 １１・・・キー溝、１２・・・キー。 、Ｎ・・・鋳型、　　　　　　１４・・・側壁。 １５・・・隙間、１６・・・小円弧面。 １フ・・・中央孔、１８・・・シリコン融液。 １９・・・棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）複数個の扇形凹部を一定間隔で車状に配置した円筒
   状鋳型底板、この上に嵌合する円筒状鋳型側板および前
   記鋳型側板内で前記扇形凹部に挿着し、キーにより鋳型
   側板に固定される柱状ブロックからなる鋳型を、シリコ
   ンの融点以上に加熱し、中央孔に設定量のシリコン融液
   を流し込み、ついで前記中央孔に棒を挿入して各柱状ブ
   ロックの間の隙間にシリコン融液をゆきわたらせた後冷
   却固化することを特徴とする多結晶シリコンウェハの製
   造方法。 ２）前記鋳型および棒が高純度炭化シリコン焼結体より
   なり、シリコン融液と接触する各面が鏡面研磨されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３）前記鋳型の冷却速度が制御可能な構造であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４）前記方法が真空または不活性ガスの雰囲気中で行わ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法
   。