(57)【要約】【課題】欠陥及び不純物が入りにくいシリコン結晶体成形装置を提供する。【解決手段】  シリコン結晶体成形装置は、坩堝底部を冷やす方式で多結晶結晶粒の成長方向をコントロールし、該結晶粒に双晶境界を成形する。該双晶境界は相互対称の結晶粒境界で，該結晶粒が一方向凝固で上向きに成長し、完全な多結晶シリコン結晶体を成形することを最も主要な特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン結晶体成形装置において、少なくとも
シリコン原料を納置するのに用いる坩堝と、
坩堝本体外を覆う外坩堝と、
坩堝周囲に設置する加熱器と、
該坩堝の底部位置に相対する外坩堝箇所に設置して、坩堝の底部を急速に冷却して多結晶結晶粒の成長方向をコントロールし、該結晶粒に双晶境界を成形する少なくとも一急速冷却部品を含むことを特徴とするシリコン結晶体成形装置。
【請求項２】
前記多結晶結晶粒の成長方向は＜１１２＞もしくは＜１１０＞とすることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項３】
前記坩堝底部の熱流束は、５０〜６０Wとすることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項４】
前記坩堝底部の温度勾配は、５１５０〜５２５０k/mとすることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項５】
前記急速冷却部品は、放熱材として、該放熱材は接触部及び該接触部から伸びる放熱部を設置し、該接触部は該外坩堝と接触し、該放熱部は比較的大きな放熱面積を備えることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項６】
前記急速冷却部品可と該外坩堝は、一体成形し、該急速冷却部品は該外坩堝から下向きに伸びて形成されることを特徴とする請求項５記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項７】
前記外坩堝は、グラファイトであることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項８】
前記成形装置は、更に冷却組立品を設置し、該冷却組立品は該急速冷却部品と相互に連接して接触し、該冷却組立品が急速冷却部品の熱源を取り去ることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項９】
前記冷却組立品は、コントローラ、循環管体及び該循環管体内に設置する流体を備え、該コントローラは該流体の循環管体内での流速をコントロールすることを特徴とする請求項８記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項１０】
前記成形装置は、更に保温部品を設置し、該保温部品は該坩堝底部周囲外側を覆い、使該坩堝底部の中央位置に近い箇所の下向き放熱通量を側向より高くして放熱し、該坩堝内に投入した結晶成長するシリコン原料を凝固に拠って形成する固化界面が中央上向きの微凸状態に形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項１１】
前記保温部品は、炭素繊維、酸化アルミニウムもしくはジルコニアの材質とすることを特徴とする請求項１０記載のシリコン結晶体成形装置。
【請求項１２】
前記加熱器は、誘導コイル及びサーモカップルを設置してもよいことを特徴とする請求項１記載のシリコン結晶体成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶成長装置に関し、特に欠陥及び不純物が起こりにくい多結晶成長装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池は半導体の一種で、そのためソーラー・ウエハーとも称される。シリコン(silicon)は、現在通用する太陽電池の原料の代表であり、その発電原理は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに転換するものである。太陽電池(Solar PV Cell)のウエハー材には多種あるが、およそ単結晶シリコン(Monocrystalline Silicon)、多結晶シリコン(Polycrystalline/Multicrystalline
Silicon)、アモルファスシリコン(Amorphous
Silicon)，及びその他の非シリコン材に分けられ、そのうち、単結晶シリコン及び多結晶シリコンの二種が一番良く見かけるものである。また、単結晶シリコンの組成原子は、すべて一定の規則に基づくもので、多結晶シリコンは各結晶粒エリアに各自の排列方式を持っており、結晶粒間の結晶粒境界の構造は比較的完成されておらず、不純物が累積しやすい。そのため、欠陥密度が高く、更には電池の光電転換効率に影響を与えやすい。単結晶シリコンの太陽電池転換効率は比較的高いものの、相対して製造コストも高い。それでも早期の市場では単結晶シリコンが主であったが、単結晶シリコンの生産コストが高いことと、近年では多結晶シリコンの技術進展が進み、多結晶シリコンの転換効率が大幅に向上しているため、低コストという有利な状況もあり、多結晶シリコンは単結晶シリコン製品に取って代わるようになっている。
【０００３】
現在、業界で普遍的に採用されている多結晶のシリコン結晶体の製造技術は図７に示すとおりであり、坩堝１１内に結晶成長するシリコン原料１４を投入する。坩堝１１は両側の加熱器１２及び坩堝１１外層の外坩堝１３から構成され、一方向凝固作用の下、坩堝１１内で結晶粒２１を成形する。更に該結晶粒２１を一方向凝固で上向きに成長させ、図３に示す多結晶のシリコン結晶体２を完成させる。該多結晶シリコン結晶体２は、最後に横方向に切断、研磨、艶出しをした後、切片を既定サイズのウエハー底材にして太陽光ウエハーを製造する。
【０００４】
そのうち、該多結晶シリコン結晶体の各結晶粒の間は、“結晶粒境界”によって仕切られ、上述の公知技術によって成型された多結晶シリコン結晶体の結晶粒境界は、ほぼ電気活性結晶粒境界に属する。励起した電子ホールは電気活性結晶粒境界のエリアを経て捕まえられ、電極から引き出されて利用することができず、無効なエリアとなる。しかし、仮に通り過ぎるのが電気鈍性結晶粒境界エリアであれば、電子ホールは影響を受けず、効果及び能力は単結晶と同じになる。このため、いかにして電気鈍性結晶粒境界をコントロールするか、もしくは活性結晶粒境界を多結晶シリコン結晶体の製造技術で減らすかが非常に重要である。また双晶境界は一電鈍結晶粒境界であり、双晶境界が多ければ多いほど該多結晶の品質は良くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】台湾特許  第Ｉ２９８７５２号
【特許文献２】台湾特許  第Ｍ３２４０６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
解決しようとする問題点は、欠陥及び不純物が入りやすい点である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
シリコン結晶体成形装置は、坩堝底部を冷やす方式で多結晶結晶粒の成長方向をコントロールし、該結晶粒に双晶境界を成形する。該双晶境界は相互対称の結晶粒境界で，該結晶粒が一方向凝固で上向きに成長し、完全な多結晶シリコン結晶体を成形することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のシリコン結晶体成形装置は、欠陥及び不純物が入りにくいという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の結晶粒に双晶境界を備える構造断面図である。
【図２】本発明の固化界面と結晶粒の成長方向の構造指示図である。
【図３】本発明で完成した多結晶シリコン結晶体の外観指示図である。
【図４】本発明の第一実施例の装置構造指示図である。
【図５】本発明の第二実施例の装置構造指示図である。
【図６】本発明の第三実施例の装置構造指示図である。
【図７】公知の結晶シリコン成型技術の構造指示図である。
【図８】公知の結晶シリコン成形方式と本発明を比較した図である。
【図９】公知の結晶シリコン成形方式と本発明を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
欠陥及び不純物が発生しにくい多結晶シリコン結晶体の成形装置を提供することを本発明の主な目的とする。
【００１１】
上述の目的のため、本発明は、坩堝底部箇所に急速冷卻方式で多結晶結晶粒の成長をコントロールし、該結晶粒に双晶境界を成形し、活性結晶粒境界を減らす。該双晶境界は結晶粒境界両端の原子が互いに対称に配列した構造を備え、該結晶粒が一方向凝固で上向きに成長して完成する多結晶シリコン結晶体で該多結晶シリコン結晶体に欠陥及び不純物が発生しにくくなる。
【実施例１】
【００１２】
本発明の特徴を、本発明の図式及び実施例を挙げて詳細に説明する。
本発明の「シリコン結晶体成形装置」は、坩堝底部箇所(例として、坩堝の底部中央に近い位置)に対して急速冷卻の方式を施し、多結晶結晶粒の成長方向をコントロールする。例として＜１１２＞もしくは＜１１０＞の成長方向では図１に示すとおり、該結晶粒２１に双晶境界２４に形成する。更に該坩鍋の本体周囲外側には保温的方式を施し、該坩堝底部の中央位置に近い箇所の下向きの放熱通量を側相より高くして放熱し、該坩鍋３１内に納置した結晶成長するシリコン原料３２が凝固によって形成された固化界面B１を形成中央上向きの微凸状態にする。如図２に示すとおり、更に該結晶粒の成長方向Ｂ２を外向きに拡張させ、成型する結晶粒の体積を大型化する。そのうち，該結晶粒２１の双晶境界２４は、構造が相互に対称の結晶粒境界を備え、該結晶粒は一方向凝固で上向きに成長し形成された完全な多結晶シリコン結晶体であるため、該多結晶シリコン結晶体が欠陥及び不純物の発生を起こりにくくして更に結晶粒大型化の特性を加え、各結晶粒は、一方向凝固で上向きに成長し形成された完全な多結晶シリコン結晶体は図３に示すとおりで、単位横切面積の結晶粒２１及び結晶粒境界２２数量が比較的少ないという長所を備える。更にエネルギーが十分に減少したウエハーの結晶粒境界に派生して不飽和粘着に拠る再結合効果；特にウエハー内の結晶粒境界（即ちウエハー内部の不純物）が相対して減少し、ウエハーの光電転換効率が高まる。
【００１３】
図４に示すとおり、該成形装置全体は、シリコン原料３２を投入する坩堝３１、高温下でも坩堝３１の形状を保つ外坩堝３３ (グラファイトでもよい)及び坩堝３１周囲(本実施例では辺側に設置)に相対して設置する加熱器を含む。該加熱器は、センサー式加熱を利用し、誘導コイル３４１及びサーモカップル３４２を設置する事ができる。また該加熱器は電気抵抗式加熱でもよい。そのうち該外坩堝３３の外側には急速冷却部品３５を設置する。図に示す実施例に於いて、該急速冷却部品３５は、該坩堝３１底部位置に相対する該外坩堝３３に設置する。勿論、該急速冷却部品は、該坩鍋底部位置に複数設置して、いくつもの冷却点を形成してもよい。
【００１４】
そのうち，該急速冷却部品３５は、放熱材とする。該放熱材は、接触部３５１及び該接触部３５１から伸びる放熱部３５２を設置する。該接触部３５１は、該外坩堝３３と接触することで該放熱部３５２は比較的大きな放熱面積を備え、該急速冷却部品３５は該外坩堝３３と一体成型する。また該急速冷却部品３５は該外坩堝３３から下向きに伸びて成形するため、該急速冷却部品３５はグラファイト材でもよい。
【実施例２】
【００１５】
装置全体は、急速冷却部品３５作用の下、坩堝３１底層に高比例の双晶の結晶粒２１を形成し、急速冷却部品３５によって該坩堝３１に投入する液相原料の底部の熱流束を５０〜６０Wにするか、もしくは該液相原料底部の温度勾配を５１５０〜５２５０k/mにする。また成形した結晶粒２１を特定の成長方向に形成し、例として<１１２>もしくは<１１０>の成長方向では該結晶粒２１に多くの双晶境界を形成する。勿論、該成形装置は更に冷却組立品３７を設置してもよい。図５に示すとおり、該冷却組立品３７は該急速冷却部品３５と相互に連接して接触する。図に示す実施例では、該冷却組立品３７は急速冷却部品の放熱部３５２と接触し、該冷却組立品３７で急速冷却部品３５の熱源を取り去り、且つ該冷却組立品３７にはコントローラ３７１、循環管体３７２及び該循環管体３７２内に設置する流体３７３(液体もしくは気体でもよい)を設置する。該コントローラ３７１は循環管体３７２内の該流体３７３の流速をコントロールして該急速冷却部品３５の冷卻状況を制御する。
【実施例３】
【００１６】
更に該成形装置は、保温部品３６(炭素繊維、酸化アルミニウムもしくはジルコニアの材質でもよい)を設置する事ができる。図６に示すとおり、該保温部品３６は、該坩堝３１底部周囲外側を覆い、坩堝３１底層に形成された結晶粒２１は保温部品３６を該坩堝３１本体に相対する周囲外側に設置するだけで、該箇所の外坩堝３３が熱源を取り去る効率を下げ、該坩堝３１底部の中央位置に近い箇所の温度を両側より下げることで、結晶成長する該シリコン原料３２の固化界面B１を中央上向きの微凸状態に形成し、同時に図２に示すとおり、該結晶粒の成長方向Ｂ２は該固化界面Ｂ１と垂直で、該結晶粒の成長方向Ｂ２を外へ広がるようにして成型の結晶粒の体積を大型化する。
【００１７】
本発明は、先ず坩堝下層の結晶粒を高比例の双晶境界に形成するので、成型した多結晶シリコン結晶体に欠陥及び不純物を発生させにくくする。更に加えて結晶粒は大型化の特性を備えているので、各結晶粒を一方向凝固で上向きに成長させて完全な多結晶シリコン結晶体に成形し、単位横切面積の結晶粒及び結晶粒境界の数量が少なくなる長所を備え、更に結晶粒境界から派生して中心が再結合するウエハーが減る。特にウエハー内部の結晶粒境界(即ちウエハー内部の不純物)を相対して減らすと、晶片の光電転換効率が高まる。
【００１８】
公知の結晶シリコン成形方式と本発明を比較したのが以下である。
【００１９】
図８に示すとおり、坩堝内に結晶成長するシリコン原料を投入し、坩堝は両側の加熱器及び坩堝外層の外坩堝から構成される。加熱過程では該坩堝の底部熱流束は４６.８６７Wであり、且つ底部の温度勾配は４００k/mであり、該一方向凝固は上向きの成長の曲線は平らである。
【００２０】
図９に示す実施例において、坩堝内に結晶成長するシリコン原料を投入し、坩堝の両側の加熱器及び坩堝の外層の外坩堝から構成される。更に本発明は坩堝の底部箇所(例として、坩堝の底部中央に近い位置)に急速冷卻方式を施すことによって、多結晶結晶粒の成長方向をコントロールする。また加熱過程に於いて、該坩堝の底部熱流束は５４.８８７Wで、且つ底部の温度勾配は５１８９.０９k/mとすることで、該坩堝の底層に高比例の双晶の結晶粒を形成し、且つ該一方向凝固で上向きに成長する曲線が中央で上向きの微凸状態を形成する。
【００２１】
上述のとおり、本発明は実施可能な結晶シリコン形成方法及びその成形装置を提供し、発明特許として申請する。本発明の技術内容及び技術特徴は、上述のとおりであるが、本領域に習熟した者が本発明の提示に基づいて各種の本案の発明精神から乖離しない入替及び修飾をするかもしれない。そのため、本発明の保護範囲は、実施例に制限されず、また各種の本発明から乖離しない入替、及び修飾を含み、並びに以下の請求範囲にも含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２２】
Ｂ１      固化界面
Ｂ２      成長方向
１１      坩堝
１２      加熱器
１３      外坩堝
１４      シリコン原料
２        多結晶シリコン結晶体
２１      結晶粒
２２      結晶粒境界
２４      双晶境界
３１      坩堝
３２      シリコン原料
３３      外坩堝
３４１    誘導コイル
３４２    サーモカップル
３５      急速冷却部品
３５１    接触部
３５２    放熱部
３６      保温部品
３７      冷却組立品
３７１    コントローラ
３７２    循環管体
３７３    流体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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