(57)【要約】珪素を含有するガス（２）を分離するための反応装置（１）には少なくとも一つの電気加熱可能な珪素の析出要素（１５）がコスト削減のために設けられ、その要素はその電気伝導率を改善するために少なくとも一つの不純物によるドーピングを有し、そのドーピングは、最終段階においてその上に析出された珪素を有する析出要素（１５）が、光起電力用多結晶珪素ブロック又は珪素単結晶製造用の珪素溶融物の製造に適するような濃度を初期段階において有する。本発明に係る反応装置（１）によって珪素を製造する方法、及び、その製造された珪素の光起電力分野における使用についても記載する。
2008509070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素を含むガス（２）を分離するための反応装置（１；１ａ）にして、ａ〜ｃの要件、すなわち、
ａ．ガス（２）を収容するための反応室（４；４ａ）を閉鎖し、かつ少なくとも一つのガス供給管（１０；１０ａ）を有する反応容器（３；３ａ）、
ｂ．珪素析出用に反応室（４；４ａ）内部に配置された、少なくとも一つの加熱可能な析出要素（１５；１５ａ）、及び
ｃ．電流を流して上記少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）を加熱するための電気加熱装置（１８；１８ａ）、
を備えて構成される反応装置にして、
上記少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）は、
ｉ．基本的に珪素を含み、かつ、
ｉｉ．電気伝導率を改善するために少なくとも一つの不純物を有するドーピングを有し、該ドーピングは初期段階において、析出要素（１５；１５ａ）が最終段階にてその上に析出した珪素を用いて光起電力用多結晶珪素ブロック又は珪素単結晶を製造するための珪素溶融物製造に適する濃度を有する、反応装置。
【請求項２】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が１ｃｍ３あたり１．３・１０１７〜１．２・１０２１原子、特に、１ｃｍ３あたり２．７・１０１７〜４．４・１０２０原子、及び特に、１ｃｍ３あたり９．５・１０１７〜１．４・１０２０原子の濃度の不純物によってドープされることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が第一端（１９；１９ａ）及び第二端（２０；２０ａ）を有し、これらが導電性に加熱装置（１８；１８ａ）に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の反応装置。
【請求項４】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が管状構造であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が多角形、又は、円形の断面を有することを特徴とする、請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）がぎっしり詰まった円柱のように構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項７】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が珪素析出用に４００℃〜１２００℃、特に、８００℃〜１０００℃、及び特に、約９００℃の析出温度を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項８】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が０．０００１Ohm cm〜０．１７Ohm cm、特に、０．０００３Ohm cm〜０．１Ohm cm、及び特に、０．０００８Ohm cm〜０．０４５Ohm cmの比抵抗を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項９】
光起電力用多結晶珪素ブロック、又は、珪素単結晶製造用の珪素溶融物を製造するための原材料として適した珪素の製造方法にして、以下のａ〜ｅのステップ、すなわち、
ａ．請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置（１；１ａ）を設けること、
ｂ．電気加熱装置（１８；１８ａ）を用いて少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）を少なくとも析出温度まで加熱すること、
ｃ．珪素を含有するガス（２）を反応装置（１；１ａ）の中へ供給すること、
ｄ．珪素の生成に伴って、ガス（２）を熱分離すること、及び、
ｅ．少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）上へ珪素を析出すること、
を備える珪素の製造方法。
【請求項１０】
光起電力用多結晶珪素ブロック、又は、珪素単結晶製造用珪素溶融物を製造するために請求項９に従って製造された珪素の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、珪素含有ガス、特にモノシラン又はトリクロロシランガスを分離するための反応装置に関する。本発明は、本発明に係る反応装置を用いて珪素を製造する方法にもまた関している。更に、光起電力分野において本発明に係る方法によって製造された珪素の使用に関している。
【背景技術】
【０００２】
珪素含有ガスをボディ（body）表面に析出させることによる珪素製造は長い間公知であった。そのようなガス相析出工程は、一般に化学蒸着（Chemical Vapor deposition: CVD）として記載される。モノシラン又はトリクロロシランが珪素含有ガスとして主に使用される。珪素の析出は、通常高純度珪素で構成されるボディ表面において発生し、かつ析出温度は加熱によって８００℃以上にされなければならない。しかしながらこの不利な点は、珪素は７００℃以下で非常に低い伝導率を有するということであり、従って析出体の電気加熱は困難であることが証明される。
【０００３】
文献の中に、この問題を解決法として、低温範囲を目的とした高圧電源又は高周波電圧源の応用が提案されている。しかしながら、珪素の析出ボディの加熱に伴うエネルギー消費は、莫大である。更に、珪素よりも良い導電性材料から作られた析出ボディの使用が文献中に提案されている。この材料は、高温において安定に存在しなければならない。しかしながらこれの不利な点は、この材料がその上に析出される珪素によって汚染され、かつコストを費やす方法において珪素から再度取り外されなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、光起電力分野における更なる処理に適した珪素がエネルギー及びコストを削減した手法において製造可能となるように、珪素含有ガスを分離するための反応装置を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本課題は、請求項１、９及び１０の特徴により成し遂げられる。
【０００６】
本発明の核は、珪素析出のために少なくとも一つの電気加熱が可能な析出要素へ少なくとも一つの不純物をドープすることであり、析出要素の電気伝導率はそのようにして改善される。後の工程において珪素にドーピングが添加されるべきであったソーラーセル製造のために必須なドーピングがもはや必要でなくなるように、少なくとも一つの不純物、及び、少なくとも一つの析出要素におけるその（不純物の）濃度が処理において選択される。したがって電気加熱は、効率的に、かつ、費用効率良く実行することが可能であり、光起電力分野におけるそれ（珪素）の使用のために必須である珪素のドーピングが初期段階において単に発生することによって、例えば珪素の精製のような追加手順ステップが要らなくなる。
【０００７】
更なる実施形態の有利な点は従属請求項から明らかになるであろう。
【０００８】
本発明の追加的な特徴、詳細、及び、有利な点は図を参照して二つの実施形態の記述から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照しながら、珪素を含有するガス２を分離するための反応装置１の構造が以下に記載される。反応装置１は、反応室４を閉鎖し、かつ、ガス２を収容する反応容器３を有する。反応容器３は、その下端においてベース６によって固く閉鎖された、管状の直立した側壁５を有する。基本的にディスク様の取り外し可能な蓋７が側壁５の上端に配置され、それは反応室４を閉鎖する。環状のシール８が側壁５の上端において反応室４を封じるために施され、かつ、側壁５の上端の上と蓋７のはざ間において側壁５に対して突き出ているシールウェブ９によって調整される。固定装置、特に詳細に示されていないクリップ又はスクリューが、蓋７を固定するために側壁５及び蓋７のシールウェブ９の上に配置される。
【００１０】
Y形状のガス供給管１０がベース６の中心を貫いて施され、その両供給端１１が反応室４の中へ施されている。ガス供給管１０はまた、二つ以上の供給管１１が反応室４を貫いて施されるように設計されることが可能であり、１１の端は円形で、その円周の外周において等間隔をあけて配置されている。二つのガス排気管１２が、ガス供給管１０の管端と側壁５の間において反対側の側面のベース６を貫いて施される。ガス２の連続的な交換が、反応室４においてガス供給管１０及びガス排気管１２を通って成される。先細りになったフロー要素１４が蓋７の内部蓋壁１３において中央に配置され、かつ、反応室４の内側で流れを最適化するために反応室４の中に延在している。
【００１１】
高純度珪素の管状の析出要素１５が実際、反応室４の内側において中央に配置されている。析出要素１５は内壁１６及び外壁１７を有し、内・外壁１６、１７上にガス２から珪素が析出されうる温度を内及び外壁１６、１７が有するように、電気加熱装置によって析出要素１５は加熱される。第一及び第二管状接触要素２１、２２は、加熱を目的として析出要素１５の下及び上部環状端１９、２０に配置され、かつ、析出要素１５へ伝導性を有するように接続される。第一及び第二接触要素２１、２２は、電圧源２４、特にDC電圧源の反対側の極へ伝導性を有するように電気的接続ライン２３によって接続される。接続ライン２３は、第一及び第二管状電流フィードスルー２５、２６を用いて反応室４の中へ通される。電流フィードスルー２５、２６は、ガス２が反応室４から漏れないように封鎖される。第一電流フィードスルー２５は、側壁５内部において基本的に第一接触要素２１の高さに配置される。そこ（第一電流フィードスルー２５）から出ている接続ライン２３は、少なくとも第一接触要素２１と同等に柔軟に構成される。第二電流フィードスルー２６は、第二接触要素２２のベース６を貫いて施され、かつ、接触要素２２に直接接続されている。従って、第二接触要素２２に接続した接続ライン２３は、電流フィードスルー２６内部において全範囲を走る。加熱装置１８は第一及び第二接触要素２１、２２、接続ライン２３、電圧源２４、かつ、第一及び第二電流フィードスルー２５、２６を閉鎖する。
【００１２】
析出要素１５は電気的に絶縁された、基本的に環状のベアリング要素２７を用いて固定される。ベアリング要素２７は反応室４内部においてベース６条に固定され、第二接触要素２２を用いてベアリング要素２７条に設置されてそこに固定された析出要素１５を保持している。ベアリング要素２７は電流フィードスルー２６の領域において干渉されている。
【００１３】
析出要素１５は、特に適しているホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、リン、砒素、及び、アンチモンのような不純物をドープされる。ドーピングは、これら不純物の一つ、又は、多くの不純物の組み合わせの一つによって実施され得る。例えばホウ素によるドーピングは、１平方センチメートルあたり１．３・１０１７原子〜１．２・１０２１原子濃度において、好ましくは一平方センチメートルあたり２．７・１０１７原子〜４．４・１０２０原子、より好ましくは一平方センチメートルあたり９．５・１０１７原子〜１．４・１０２０原子濃度において実施される。外界温度において、これら濃度は、初期段階、つまり珪素がその上に析出される前において析出要素１５の０．０００１Ohm cm〜０．１７Ohm cm、好ましくは０．０００３Ohm cm〜０．１Ohm cm、より好ましくは０．０００８Ohm cm〜０．０４５Ohm cmの比電気抵抗に一致する。
【００１４】
管状析出要素１５は典型的に、初期段階において直径３００ｍｍ、壁厚み０．３ｍｍ〜１．０ｍｍを有する。最終状態において、つまり所望の量の珪素が析出した後において析出要素１５の壁厚みは典型的に、１００ｍｍ〜２００ｍｍに増加する。これは初期段階の体積及び最終状態の体積の間における比１：１００〜１：６６７に一致する。ぎっしり詰まった円柱のように作成された棒状析出要素１５もまた施され得る。棒状析出要素１５は初期段階において直径５ｍｍ〜１０ｍｍ、最終状態において直径１００ｍｍ〜３３０ｍｍを有する。これは最終状態における体積に対する初期段階における体積の比、１：１００〜１：４３５６に一致する。
【００１５】
他の析出要素１５の形状は原則的に可能であり、例えば、少なくとも３つの角を有する多角形断面を有する筒状析出要素１５は可能である。
【００１６】
析出した珪素の最終状態において、析出要素１５はドーピング、例えば、一平方センチメートルあたり１．３・１０１５〜２．８・１０１７原子、好ましくは一平方センチメートルあたり２．７・１０１５〜１．０・１０１７原子、より好ましくは一平方センチメートルあたり９．５・１０１５〜３．２・１０１６原子濃度を有するホウ素のドーピングを有する。これは、その最終状態において外界温度で０．１Ohm cm〜１０Ohm cm、好ましくは０．２Ohm cm〜５Ohm cm、より好ましくは０．５Ohm cm〜１．５Ohm cmの析出要素１５の比電気抵抗と一致する。従ってドーピング濃度は、珪素析出の結果、初期段階と比較して最終状態において減少する。これと比較して、ドーピング濃度の減少により、比電気抵抗は増加する。初期段階の濃度において、析出要素１５は、光起電力用、特にソーラーセル製造用多結晶珪素ブロック又は珪素単結晶を製造するための珪素溶融物製造用に適している。
【００１７】
反応装置１を用いた珪素製造方法は以下により詳細に記載する。ドープされた析出要素１５は最初に蓋７を開けることによって反応室４へ通され、ベアリング要素上で固定される。既に取り付けられた接触要素２１、２２は、それから電気伝導性に接続ライン２３へ接続される。析出要素１５が反応室４内部において設置されて固定された後、蓋７が固く閉じられる。反応装置１は、今や珪素製造の準備万端である。この状態が初期段階として記載されている。
【００１８】
ドープされた析出要素１５は加熱装置１８を用いて加熱され、析出温度４００℃〜１２００℃、特に８００℃〜１０００℃にされる。析出要素１５表面における珪素析出は、この析出温度において可能となる。析出要素１５のドーピングにより、それを加熱することは特に効率的で、かつ、費用効率がよい、というのは、析出要素１５の比電気抵抗がそれがドープされることによって著しく減少するからである。従って析出温度がより速く、より費用効率良く成し遂げられ得る。析出要素１５が析出温度にされた後、珪素、特にモノシラン又はトリクロロシランを含んだガス２がガス供給管１０によって反応室４へ供給される。ガス２が内部壁１６に向かって流れ、蓋７へ向かってそれ（内部壁１６）に沿って上昇するように、供給端１１は本工程において配置される。珪素は、ガスが析出要素１５の内部壁１６に沿って流れる間に析出し、内部壁１６上に沈着する。ガス２が蓋７に到達する場合は、フロー要素１４によって方向転換され、それから外壁１７と側壁５の間をベース６に向かって流れる。それ（ガス）が外壁１７に沿って流れる間、珪素は再度析出し、析出要素１５の外壁１７上に沈着する。ガスがベース６に到達する場合、ガス供給管１２を通って反応室４から排出される。これは析出要素が容積、及び、従って析出要素１５を光起電力分野において処理するために最適にするドーピング濃度に到達するまで起こる。この状態は、最終状態として記載されている。珪素析出の結果、最終状態における濃度に対する初期段階における濃度は減少する、従って、最終状態において析出要素１５の比電気抵抗は増加する。析出要素１５は今や反応室４から除かれて、更なる処理をされ得る。
【００１９】
この方法で製造された珪素は、光起電力用、特にソーラーセル製造用多結晶珪素ブロック、又は、単結晶珪素製造のための珪素溶融物製造用に使用される。
【００２０】
図２を参照しながら、下記に本発明の第二実施形態を記載する。同一の構造である部品は第一実施形態におけるものと同様の参照番号を有し、その記載はここに参照される。しかしながら、異なる構造であるが同様の機能であるものは同様の参照番号に「a」の添え字を付したものを有する。第一実施形態に対する実際の違いは、反応室４ａ内部において互いに隣同士に配列され二つかそれ以上の析出要素１５ａが存在する。続く記載は二つのものを参照している。反応装置１ａのベース６ａにおいて両電流フィードスルー２５ａ、２６ａは加熱を目的として配置される。析出要素１５ａは柔軟な接続ライン２３ａによって各第一端１９ａに連続して電気的に接続されている。電圧源２４の極への電気的接続は、各第二端２０ａにおいて発生する。二つのガス供給管１０ａは、ベース６ａの領域において析出要素１５ａの中央に配置される。ガス２の排出は、ベース６ａの領域において、側壁５ａと析出要素１５ａの間、及び、二つの析出要素１５ａの間に配置された３つ又はそれ以上のガス排出管１２ａを通って起こる。析出要素１５ａの配置や固定は第一実施形態のものと同一の方法においてベアリング要素２７によって起こる。反応装置１ａの蓋７ａは、析出要素１５ａの中央に配置され、かつ、ガス２をベース６ａの方へ方向転換するためのガス供給管１０ａと反対側にある二つのフロー要素１４ａを有する。第一実施形態は、反応装置１ａの稼動方法及び珪素製造方法を見ながら参照される。
【００２１】
多数の析出要素１５ａの他の可能な配置、例えば、互いの内部において配置された二つの管状析出要素１５ａは、原則的に可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第一実施形態に係る、反応装置の縦断面図である。
【図２】第二実施形態に係る、反応装置の縦断面図である。
【図１】
2008509070.tif 000003
【図２】
2008509070.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年6月9日(2006.6.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素を含むガス（２）を分離するための反応装置（１；１ａ）にして、ａ〜ｃの要件、すなわち、
ａ．ガス（２）を収容するための反応室（４；４ａ）を閉鎖し、かつ少なくとも一つのガス供給管（１０；１０ａ）を有する反応容器（３；３ａ）、
ｂ．珪素析出用に反応室（４；４ａ）内部に配置された、少なくとも一つの加熱可能な析出要素（１５；１５ａ）、及び
ｃ．電流を流して上記少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）を加熱するための電気加熱装置（１８；１８ａ）、
を備えて構成される反応装置にして、
上記少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）は、
ｉ．基本的に珪素を含み、かつ、
ｉｉ．電気伝導率を改善するために少なくとも一つの不純物を有するドーピングを有し、該ドーピングは初期段階において、析出要素（１５；１５ａ）が最終段階にてその上に析出した珪素を用いて光起電力用多結晶珪素ブロック又は珪素単結晶を製造するための珪素溶融物製造に適する濃度を有し、
ｉｉｉ．初期段階において、１ｃｍ３あたり、１．３・１０１７〜１．２・１０２１原子の濃度の不純物によってドープされる、
反応装置。
【請求項２】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が１ｃｍ３あたり２．７・１０１７〜４．４・１０２０原子、及び特に、１ｃｍ３あたり９．５・１０１７〜１．４・１０２０原子の濃度の不純物によってドープされることを特徴とする請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が第一端（１９；１９ａ）及び第二端（２０；２０ａ）を有し、これらが導電性に加熱装置（１８；１８ａ）に接続されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の反応装置。
【請求項４】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が管状構造であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項５】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が多角形、又は、円形の断面を有することを特徴とする、請求項４に記載の反応装置。
【請求項６】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）がぎっしり詰まった円柱のように構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項７】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が珪素析出用に４００℃〜１２００℃、特に、８００℃〜１０００℃、及び特に、約９００℃の析出温度を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項８】
少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）が０．０００１Ohm cm〜０．１７Ohm
cm、特に、０．０００３Ohm cm〜０．１Ohm cm、及び特に、０．０００８Ohm cm〜０．０４５Ohm cmの比電気抵抗を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の反応装置。
【請求項９】
光起電力用多結晶珪素ブロック、又は、珪素単結晶製造用の珪素溶融物を製造するための原材料として適した珪素の製造方法にして、以下のａ〜ｅの段階、すなわち、
ａ．請求項１〜８のいずれか一項に記載の反応装置（１；１ａ）を設けること、
ｂ．電気加熱装置（１８；１８ａ）を用いて少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）を少なくとも析出温度まで加熱すること、
ｃ．珪素を含有するガス（２）を反応装置（１；１ａ）の中へ供給すること、
ｄ．珪素の生成に伴って、ガス（２）を熱分離すること、及び、
ｅ．少なくとも一つの析出要素（１５；１５ａ）上へ珪素を析出すること、
を備える珪素の製造方法。
【請求項１０】
光起電力用多結晶珪素ブロック、又は、珪素単結晶製造用珪素溶融物を製造するために請求項９に従って製造された珪素の使用。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
文献の中に、この問題を解決法として、低温範囲を目的とした高圧電源又は高周波電圧源の応用が提案されている。しかしながら、珪素の析出ボディの加熱に伴うエネルギー消費は、莫大である。更に、珪素よりも良い導電性材料から作られた析出ボディの使用が文献中に提案されている。この材料は、高温において安定に存在しなければならない。しかしながらこれの不利な点は、この材料がその上に析出される珪素によって汚染され、かつコストを費やす方法において珪素から再度取り外されなければならない。
珪素の析出基層を有する反応装置は特許文献１から公知であり、析出基層は珪素が析出した後、るつぼなしの帯域溶融によってドープされ、かつ精製される。
ドープされた珪素の単結晶キャリアボディを有する反応装置は、特許文献２から公知であり、反応ガス混合物は、加速して反応装置へ供給される。
ドープされた珪素の管状ボディからソーラーセルを製造する方法は、特許文献３から公知である。
【特許文献１】ＤＥ２４４７６９１Ａ１
【特許文献２】DE１１４８２１７B
【特許文献３】US４０９５３２９
【国際調査報告】
2008509070.tif 000005
2008509070.tif 000006
2008509070.tif 000007
2008509070.tif 000008
2008509070.tif 000009
2008509070.tif 000010