(57)【要約】結晶シリコンインゴットが、一方向性凝固プロセスを用いて作製される。特に、坩堝を、均一な結晶配向であるシード層上のシリコン供給原料で充填する。シリコン供給原料およびシード層の上側部分は、坩堝中にて溶融され、溶融物質を形成する。この溶融物質は、次に凝固され、そのプロセスの過程にて、シード層の結晶構造に基づく結晶構造がシリコンインゴット中に形成される。シード層は、｛１１０｝結晶面が凝固の方向に対して直角となるように配置される。このことにより、別の選択肢としての結晶配向と比較して、インゴット中に形成される単結晶シリコンの割合が大きく改善され、等方性テクスチャリング後に、高度に均一なソーラーセルが得られることが見出された。
2015505800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコンを作製するための方法であって、前記方法は：
均一な結晶配向のシリコンシード層を坩堝中に提供すること；
前記シード層上にシリコン供給原料を提供すること；
前記シリコン供給原料および前記シード層の上側部分を溶融し、それによって前記坩堝内に溶融シリコンを作り出すこと；
前記溶融シリコンを一方向性凝固させて、シリコンインゴットを形成すること；を含み、ここで、
前記シード層は、前記溶融シリコンの凝固が、前記シード層の｛１１０｝結晶面に対して直角である方向に発生するように配置される、方法。
【請求項２】
前記シリコンインゴットから１つ以上のシリコンウェハを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ以上のシリコンウェハの表面に、等方性エッチング工程を適用することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エッチング工程が、前記１つ以上のシリコンウェハの表面を酸と接触させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記酸が、ＨＦおよびＨＮＯ３の一方または両方を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記エッチング工程が、イオンエッチングまたはプラズマエッチングを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ以上のウェハを形成する前記工程が、ワイヤーカッティングプロセスを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ワイヤーカッティングプロセスが、ダイヤモンドワイヤーカッティングプロセスである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の床部との間の角度が、１５度未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の前記床部との間の前記角度が、１０度未満である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の前記床部との間の前記角度が、５度未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記シリコンインゴットが、前記シード層から伸びる単結晶領域を含み、前記単結晶領域の外側端部と前記シード層との間の角度は、少なくとも８０度である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記シリコンインゴットの少なくとも８０％が、前記シード層の結晶構造と整列された結晶構造を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記シード層が、複数のシードタイルを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のシードタイルが、単一の単結晶源から切り出される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
チョクラルスキープロセスによって前記単結晶源を形成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法を用いて形成されるシリコンウェハ。
【請求項１８】
請求項１７の前記シリコンウェハを含む光起電力セル。
【請求項１９】
請求項１８に記載の前記セルを含む光起電力モジュール。
【請求項２０】
一方向性凝固による結晶シリコンの作製に用いるための充填された坩堝であって、前記充填された坩堝は：均一な結晶整列であるシリコンシード層；および前記シード層上に配置されたシリコン供給原料を含み、ここで、前記シード層の結晶構造の｛１１０｝面は、水平方向に伸びている、充填された坩堝。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソーラーセルに用いるための結晶シリコンの作製に関する。特に、本発明は、一方向性凝固プロセスによる結晶シリコンの作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
光起電力セルに用いるためのシリコンウェハの大部分は、ブリッジマン法などの一方向性凝固プロセスを用いて作製される。そのようなプロセスでは、固体シリコン供給原料が坩堝中へ導入され、続いて溶融されて、溶融シリコンを形成する。結晶シリコンを得るために、この溶融シリコンは次に、一方向性プロセスにて次第に凝固され、これによって、固体シリコンインゴット中に結晶構造が形成される。
【０００３】
従来の一方向性凝固プロセスで形成されるシリコンは、通常、多結晶シリコンである。従って、このシリコンは、複数の結晶粒形成を含む複雑な構造を有している。この物質中の粒界および得られる転位は、性能の低下に繋がる。その結果、単結晶シリコンから形成される光起電力セルは、多結晶シリコンから形成される光起電力セルよりも良好な性能を提供することが見出されている。
【０００４】
従って、低コストの単結晶シリコンウェハを作製する可能性が研究されてきた。単結晶シリコン形成のための１つのプロセスは、チョクラルスキープロセスとして知られている。このプロセスでは、単結晶シリコンは、同時に回転されながら溶融シリコンの坩堝から少しずつ取り出される長形の種結晶上に形成される。その結果は、単結晶シリコンの円柱状ロッドである。これは次に、光起電力セルで用いるために、ウェハへと切り出され得る。
【０００５】
チョクラルスキープロセスによって形成される単結晶シリコンを含む光起電力セルは、一方向性凝固プロセスによって形成される多結晶物質から形成される光起電力セルと比較して、改善された効率を提供することができる。これらの利点は、主として、結晶シリコンに固有の特性によって得られるものであるが、後加工工程におけるその適性にもよるものである。例えば、その光吸収特性を高める目的で、シリコンウェハの表面にエッチングまたはテクスチャリング工程が適用されることが一般的である。
【０００６】
特に、単結晶シリコンに用いるために、特定のウェットエッチングプロセスが開発されている。このプロセスでは、水酸化カリウム（ＫＯＨ）などのアルカリ性溶液が、単結晶シリコンウェハの｛１００｝面に適用される。この結果、マイクロピラミッド形状の規則的なアレイを含む表面が得られる。この規則的なパターンは、良好な光吸収特性を示すことが見出されている。
【０００７】
上述のウェットエッチングプロセスが作用するメカニズムは、ウェハ上におけるアルカリ性溶液の異方性効果に基づく。これは、ウェハの異なる結晶面が、異なる速度で溶液によりエッチングされることを意味しており、その結果、上述の規則的なピラミッド状表面が得られる。この構造を作り出すために、ウェハの表面は、｛１００｝結晶面と平行でなければならない。
【０００８】
上述の異方性エッチングプロセスは、多結晶ウェハには適さず、それは、結晶構造の配向に一貫性を示さない。その結果、多結晶ウェハには、通常、等方性エッチングプロセスが適用される。これらは、不規則な表面テクスチャを作り出す傾向にあり、それは、異方性エッチングで得ることができる規則的なピラミッド状構造よりも、光吸収性という点で
効率が低い。
【０００９】
従って、チョクラルスキープロセスで作製される単結晶ウェハには、明らかな有益性が存在する。しかし、光起電力セルに用いるための大量のウェハをこのプロセスで作製することは、このプロセスの単一回で作製することができる結晶シリコンの量が実際には比較的少ないことから、比較的高価であることが見出されている。対照的に、一方向性凝固プロセスで用いられる坩堝の場合、各回に扱うことができるシリコンの量は著しく多い。
【００１０】
その結果、一方向性凝固プロセスによって作製される多結晶シリコンは、チョクラルスキープロセスで作製される単結晶シリコンよりも非常に安価である。従って、単結晶シリコンの性能面での利点と、一方向性凝固プロセスの経済面での利点とを組み合わせることが求められ続けている。
【００１１】
近年、一方向性凝固プロセスにて単結晶シード物質を用いることにより、これに関連しての進歩が成された。そのような技術の１つの例では、単結晶シリコンシード物質が坩堝の底部に配置され、その後、一般的なシリコン供給原料が導入される。次に、このシリコン供給原料は溶融され、その後、部分的にしか溶融していない単結晶シード物質から開始して、少しずつ凝固される。単結晶シード物質は、シリコンインゴット中の結晶構造の基礎として作用する。この方法により、形成されるシリコンインゴットは、少なくとも１つの実質的に単結晶である領域を含む。上述のように、このことによって、この方法で形成されたシリコンが光起電力セルなどのその最終目的に用いられる際の、重要な性能面での有益性が作り出される。
【００１２】
シリコンウェハは、シリコンインゴットを通して横方向にスライスすることで形成される。異方性エッチングプロセスで必要とされるように、これらが｛１００｝結晶面を確実に提示するように、シード物質は、その｛１００｝面が、凝固の過程での結晶成長の垂直方向に対して直角となるように提供される。
【００１３】
一方向性凝固プロセスでのシード物質の使用は、単結晶物質の成長においてある程度の成功をもたらすことが見出されてはいるが、完全に有効なわけでも、魅力的なわけでもない。特に、凝固プロセスが進行するに従って、形成される単結晶シリコンの割合が低下することが見出されている。特に、多結晶領域は、坩堝の外側壁部からさらにインゴットの中心部に向かって徐々に広がる。その結果、最終的なインゴットは、中心部の単結晶領域を多結晶領域で囲まれた形で含有し、多結晶領域の幅は、インゴットの上部に向かって拡大する。
【００１４】
実際には、単結晶領域と、シード物質または坩堝底部との間の角度は、多くの場合、４５〜６５度と小さいことが見出されている。従って、インゴットから切り出されるウェハは、著しい割合の多結晶物質を含有している。この多結晶物質は、光起電力セルでのその目的のために用いられる場合、本質的に効率が低く、さらには、上述の異方性エッチングプロセスには適さない。ウェハの光吸収効率が制限されるだけでなく、この後者の点は、ウェハ中のエッチングされた領域において、単結晶物質から形成された領域と多結晶物質から形成された領域との間で、望ましくない大きな視覚的な相違にも繋がるものである。この非常に視認可能である不均質性は、そのようなウェハを、顧客にとって視覚的に魅力的であり、従って市販品として成り立つものであるモジュールに用いることが、ソーラーモジュールの製造業者にとって困難であることを意味している。
【００１５】
多結晶領域がインゴット中に侵入することによる別の欠点は、インゴットからのシリコンウェハの形成時に現れる。特に、ワイヤー、特にはマルチワイヤーソー技術を用いたインゴットの切り出しが提案されている。そのような技術に用いられるワイヤーは、ダイヤ
モンド粒子を備えている場合がある。適正な状況下では、そのような技術は、高スループットの切り出しウェハを提供することができる。しかし、多結晶シリコンの結晶粒界、欠陥、および転位により、炭化ケイ素などの不純物がインゴット中に埋め込まれてしまうことが多い。そのような不純物は、物質の効率をさらに低下させるだけでなく、比較的硬質であるために、切り出しの過程にてダイヤモンドワイヤーを破壊してしまう可能性がある。その結果、多結晶領域のために、より最適ではない切り出しプロセスが必要となり得る。この問題は、単結晶シードを用いたインゴットの形成の場合に、特に深刻である。それは、シード物質を完全に溶融させることなく、シリコン供給原料の溶融を注意深く制御するためにプロセスに要する時間が増加することにより、溶融物質が炭素によって汚染されるリスクが高まるからである。
【００１６】
上述の問題を軽減するための努力が成されてきた。例えば、米国特許第８，０４８，２２１号に記載のように、シード物質が、坩堝の床部だけでなく、坩堝の側壁部にも提供され得ることが提案されている。これは、単結晶構造のシードの供給を側壁部から行うことで、インゴットの側面部における多結晶シリコンの成長を回避することを意図している。しかし、この種のプロセスを制御することは極めて難しい。例えば、凝固前に、坩堝の床部に配置されたシード物質全体にわたって坩堝中の溶融シリコンが提供されるとすると、側壁部上のシード物質が溶融しないことを確保することは難しい。シード物質が溶融することは、その結晶構造が失われることから、それを非効果的としてしまう。
【００１７】
提案されている別の手法は、シード物質から生じる結晶成長の割合を確実に高めるための取組みとして、坩堝内の温度分布をより綿密に管理することを含む。例えば、考え得る制御メカニズムは、坩堝の中心部の冷却を増強すること、および坩堝の側壁部の加熱を強化すること含む可能性がある。しかし、実際には、そのようなプロセスは、インゴット中の応力を高めてそれを破壊され易くするなど、数多くの欠点を有する。さらに、坩堝の側壁部への熱の付加は、エネルギー使用という意味でのコストを表し、およびシード物質を溶融させずにそれを実施することは困難である。さらに、このようなプロセスの実施は、結晶成長を遅延させ、生産性を低下させることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、光起電力セルに用いるための単結晶シリコンを作製するための方法を改善することが引き続き求められている。特に、現行技術は、高品質または低コストのいずれかのシリコンウェハを提供するものではあるが、これらの点の両方を同時に改善することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の第一の態様によると、光起電力セルに用いるための結晶シリコンウェハを作製するための方法が提供され、その方法は：
均一な結晶配向のシリコンシード層を坩堝中に提供すること；
そのシード層上にシリコン供給原料を提供すること；
シリコン供給原料およびシード層の上側部分を溶融し、それによって坩堝内に溶融シリコンを作り出すこと；
溶融シリコンを一方向性凝固させて、シリコンインゴットを形成すること；を含み、ここで、
シード層は、溶融シリコンの凝固が、シード層の｛１１０｝結晶面に対して直角である方向に発生するように配置される。
【００２０】
本発明によると、一方向性凝固法を提供することで、実質的な割合の単結晶シリコンを有するシリコンインゴットを作り出すことができる。その｛１１０｝結晶面が凝固の方向
に対して直角であるように配置されるシード層を用いることにより、特に｛１００｝面が成長の方向に対して直角である既存のシステムと比較して、得られるインゴット中の単結晶シリコンの割合が実質的に増加されることが見出される。また、本発明に従って＜１１０＞方向の成長を用いることで発生する転位の密度が、＜１００＞方向の成長が行われる場合の転位密度より実質的に低いことも見出される。シード層の結晶構造の配向は、すべての軸について均一であり、それによって、その層をシードとする成長を単結晶の性質のものとすることが確保される。
【００２１】
シード層の結晶構造をこのように配向することの有益性は、インゴットの横方向スライスが異方性エッチングに対して最適化されなくなってしまうという欠点を上回るものであることが見出される。実際、この方法は、シリコンインゴットから１つ以上のシリコンウェハを形成することをさらに含んでよく、さらに、好ましい実施形態では、この方法はまた、そのシリコンウェハに等方性エッチングプロセスを適用することを含んでもよい。好ましくは、エッチングプロセスは、シリコンの表面に酸を適用することを含み、好ましい実施形態では、酸は、フッ化水素酸（ＨＦ）および／または硝酸（ＨＮＯ３）を含有してよい。別の選択肢として、酸は、硫酸（Ｈ２ＳＯ４）を含んでもよい。他の好ましい実施形態では、エッチングプロセスは、反応性イオンエッチングプロセスおよび／またはプラズマエッチングプロセスを含んでよい。
【００２２】
等方性エッチングプロセスの使用は、ウェハの単結晶領域と残りの多結晶領域のいずれとも区別が成されないことを意味する。このことは、光起電力セルでの使用における運転効率、および視覚的な外観という点で、混合ウェハ（mixed wafer）に対してより効果的なエッチングプロセスを提供する。さらに、好ましい実施形態では、１つ以上のウェハが、｛１１０｝面に対して実質的に平面平行である。このことにより、インゴットにて提供されるウェハ物質の最大限の利用が可能となる。ウェハが、従って、｛１１０｝面を提供することから、｛１００｝面に適する異方性の方法よりも、等方性の方法がより適切である。異方性エッチングプロセスは、従来から、等方性の方法よりも性能面での有益性を提供するものと見なされてきた。しかし、これに関して、本発明の方法の有益性は、特にウェハが光起電力セルのモジュール中に封入される場合、異方性の方法の想定される有益性を上回るものであることが見出された。
【００２３】
しかしながら、別の選択肢としての実施形態では、インゴットは、｛１００｝結晶面に対して平行である面を有するシリコンウェハへ切り出されてもよい。このような状況では、ＫＯＨを用いるものなどの異方性エッチング法が用いられ得る。
【００２４】
好ましい実施形態では、シリコンウェハを形成するプロセスは、ワイヤーカッティングプロセスを、好ましくは、ダイヤモンドワイヤーカッティングプロセスを含む。そのようなプロセスは、ウェハの形成に際して効率的であり、費用対効果が高いものであり、＜１００＞結晶配向に基づく先行技術と比較して炭化ケイ素不純物のリスクが低減されることから、本発明に関して、特に実用的であることが見出される。炭化ケイ素不純物は、比較的硬質であり、ワイヤーカッティングプロセスで用いられるワイヤーを損傷し得るものである。
【００２５】
シリコンインゴットが形成されるに従って、単結晶領域は、シード層の上に作り出され、一方、多結晶物質は、坩堝壁部に隣接して形成され得る。本発明の好ましい実施形態では、単結晶領域の外側エッジ部とシード層との間の角度は、少なくとも８０度、より好ましくは、少なくとも８５度である。これは、成長がシード層の｛１００｝結晶面に対して直角に発生する先行技術の方法と比較して、著しい増加である。
【００２６】
典型的な配置では、固液界面は、凝固の過程にて、上向きに垂直に移動する。すなわち
、凝固の方向は垂直である。従って、シード層の｛１１０｝結晶面が凝固の方向に対して確実に直角となるように、この面は、実質的に水平に配置される。従って、溶融シリコンの凝固がシード層の｛１１０｝結晶面に対して直角方向にて発生するようにシード層を配置するために、好ましい実施形態では、｛１１０｝結晶面は、好ましくは、坩堝床部に対して平行に配置される。実際には、シード層の｛１１０｝結晶面は、坩堝床部と完全には整列されていなくてよい。しかし、好ましくは、シード層の｛１１０｝結晶面と坩堝床部との間の角度は、１５度未満であり、より好ましくは、１０度未満であり、最も好ましくは、５度未満である。本発明の有益性は、完全な整列からのそのような僅かなずれがあったとしても、明らかである。
【００２７】
実際、本発明の好ましい実施形態によると、シード層上に形成されるシリコンインゴットの少なくとも８０％、より好ましくは９０％が、シード層の結晶構造と整列された結晶構造を有する。その結果、シリコンインゴットの少なくともこれらのパーセントの部分が、単結晶物質から形成され得る。インゴット中の単結晶シリコンは、単結晶シリコンの１つ以上の個別の領域を含み得る。例えば、シード層は、複数のシードタイルを含んでよく、その場合、単結晶シリコンの個別の領域が、各シードタイル上に成長し得るものであり、各領域は、依然として、１つまたは少ない数の結晶粒界一式によって分離されていることがある。しかし、この分離にも関わらず、インゴット全体は、結晶構造の配向が各領域中で同じであることから、その単結晶（多結晶ではなく）の性質は維持されている。
【００２８】
シリコンインゴットの一部は、シード層上に形成されない場合がある。例えば、通常、坩堝壁部に隣接するシリコンインゴットの周辺領域は、多結晶シリコンを含む。これは、シード層上に形成されない領域である。例えば、好ましい実施形態では、坩堝壁部とシード層との間にギャップが提供されてよく、その結果、単結晶物質は、このギャップの上の領域には形成されない。このギャップ、および従って周辺領域は、通常、２〜３ｃｍの幅である。
【００２９】
好ましい実施形態では、シード層は、複数のシリコンタイルを含む。このことにより、チョクラルスキープロセスなどの従来の技術を用いて、単結晶シード層を形成することが可能となる。好ましくは、この方法は、さらに、シリコンスラブ（silicon slab）を提供することを含み、その上にシードタイルが配置される。この様式でシリコンスラブを用いることにより、シード層中のシードタイルの整列の改善を可能とすることができることが見出された。特に、シリコンスラブによって、坩堝床部の不整合性に起因するシードタイルの整列不良を回避することができる。これには、最初は非平面を提供する坩堝床部の不完全性、および結晶化プロセスの加熱下にて起こり得る坩堝床部の非線形膨張効果の両方を含む。
【００３０】
本発明の第二の態様によると、第一の態様の方法によって形成されたシリコンウェハが提供される。また、そのようなシリコンウェハを含む光起電力セルも提供される。さらに、光起電力セルを含むモジュールも提供される。そのようなウェハが含有する単結晶シリコンは、比較的大きい割合、または１００％でさえあることから、光起電力セルでの良好な性能を提供する。
【００３１】
本発明の第三の態様によると、一方向性凝固による結晶シリコンの作製に用いられる充填された坩堝が提供され、充填された坩堝は：単結晶シリコンを含むシード層；およびシード層上に配置されるシリコン供給原料を含み、ここで、シード層の結晶構造の｛１１０｝面は、水平方向に伸びる。第三の態様の坩堝を用いて、垂直方向の一方向性凝固により、従来可能であったものよりも高い割合の単結晶シリコンを含む結晶シリコンを作製することができる。第一の態様の好ましい特徴が、第二の態様にも等しく適用され得る。
【００３２】
ここで、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施形態で用いるための坩堝および炉の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、チョクラルスキープロセスを用いて得られた単結晶シリコン源を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、後処理によって立方体形状を形成した図２Ａの単結晶シリコン源を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａおよび２Ｂの単結晶源から形成された複数の単結晶シードタイルを示す。
【図３】図３は、本発明に従って用いるためのシード層の結晶学的整列を図示する。
【図４Ａ】図４Ａは、先行技術の方法に従うシリコンインゴットの成長を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の方法に従うシリコンインゴットの成長を示す。
【図５】図５は、シリコンインゴットの複数のウェハへの分割を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、アルカリ性テクスチャリングおよび反射防止コーティングを用いた先行技術の方法によって形成されたシリコンウェハを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、酸性テクスチャリングおよび反射防止コーティングを用いた本発明に従う方法によって形成されたシリコンウェハを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図１を参照すると、炉ホットゾーン２内の坩堝１が提供される。炉ホットゾーン２の壁部は、グラファイト、または高温に耐えることができる類似の物質から形成され得る。好ましい実施形態では、図１に示す炉ホットゾーン２は、マルチインゴット炉（multi-ingot furnace）内の複数のホットゾーンの１つである。各ホットゾーン２は、図１に示すものと実質的に類似していてよい。
【００３５】
図１の実施形態は、結晶シリコン作製のための一方向性凝固プロセスでの使用に適している。そのような一方向性凝固プロセスとしては、ブリッジマン法および垂直温度勾配凝固法（Vertical Gradient Freeze methods）が挙げられる。
【００３６】
坩堝１は、好ましくは、窒化ケイ素のコーティングで被覆されたシリカから形成される。コーティングは、結晶化プロセスの過程にて、および結晶化プロセス実施後に結晶シリコンを坩堝から取り出す際に、固体シリコンが坩堝の壁部に付着しないことを確保するための補助となる。結晶化プロセスの過程にて坩堝１の構造を支持する目的で、支持プレート５が、坩堝に隣接して提供されてよい。好ましい実施形態の支持プレート５は、グラファイトまたは炭化ケイ素被覆グラファイトから形成される。別の選択肢として、プレート５は、窒化ケイ素など、二酸化ケイ素に対して化学的に不活性である別の物質から形成されてもよい。
【００３７】
本発明の好ましい実施形態は、さらに、坩堝１の上側および下側に配置されるヒーター３を含む。好ましい実施形態では、ヒーター３は、電流がそれを通過する際に電力を熱の形態で放散する抵抗ヒーターである。ヒーター３は、グラファイトから形成されてよい。ヒーター３は、結晶シリコンの作製に必要とされる温度を作り出す能力を有するべきであり、それは、炉の最上部にて最大摂氏１６００度であり得る。
【００３８】
図１に示される好ましい実施形態の坩堝１は、単一のシリコンスラブ６、単結晶シリコンタイル７から形成されるシード層、およびシリコン供給原料８で充填される。シリコンタイル７は、シリコンスラブ６上に配置され、一方、シリコン供給原料８は、シリコンタイル７の上側に配置される。シリコンタイル７の各々の結晶構造は、それらが均一な結晶
配向のシード層を形成するように整列される。
【００３９】
シリコンスラブ６は、好ましくは、実質的に平面であり、好ましい実施形態では、実質的に平面である多結晶シリコンである。特に、シリコンスラブ６は、多結晶インゴットを提供する一方向性凝固プロセスを用いて得られてもよい。次に、多結晶インゴットが切断されて、シリコンスラブ６が形成され得る。この切断工程には、バンドソーが用いられてよい。
【００４０】
シリコンスラブ６は、通常、１から３ｃｍの厚さを有し、坩堝１の床部全体のすべてではないが、実質的な部分を覆っている。必要に応じて、０．２ｃｍから１０ｃｍの厚さなど、別の選択肢としての厚さがシリコンスラブ６に用いられてもよい。１つの好ましい実施形態では、シリコンスラブ６は、坩堝床部のサイズ６８ｃｍ×６８ｃｍと比較して、およそ６３ｃｍ×６３ｃｍの寸法である。
【００４１】
シリコンスラブ６は、好ましくは、坩堝床部のサイズよりも僅かに小さい。例えば、シリコンスラブ６と坩堝１の壁部との間に少なくとも０．５ｃｍのギャップが提供されてよい。このことにより、作製プロセスの過程での坩堝１の収縮を許容することができる。そのようなギャップがない場合、坩堝壁部１は、製造プロセスの過程でクラックを生じ易くなる。シリコンスラブ６と坩堝壁部との間の典型的なギャップは、１ｃｍまたは２ｃｍであってよいが、必要に応じて、それよりも広いギャップであってもよい。類似のギャップが、シリコンタイル７と坩堝１の側壁部との間にも形成される。
【００４２】
シリコンスラブ６は、シリコンタイル７から形成されるシード層を受けるための上部平表面を提供する。シリコンスラブは、シリコンタイル７のすべての整列を支持するのに充分に広い。例えば、シリコンタイル７の面積は、シリコンスラブ６の面積と同じであってよい。しかし変動があってもよく、シリコンスラブ６の面積が、シリコンタイル７の面積よりも広い、または僅かに狭くてもよい。
【００４３】
好ましい実施形態では、シリコンタイル７は、すべて同じ単結晶源から切り出され、特に、すべて、チョクラルスキープロセスで作られた単結晶源９から切り出される。シリコンタイル７がすべて同一源から切り出されることから、シリコンスラブ６上に配置された際、それらの結晶構造を正確に整列させることができる。特に、異なる源９が形成される毎に、結晶構造および物理的構造の相対的な整列が僅かに異なる可能性が高い。従って、シリコンタイル７が異なる源から切り出される場合、タイル内の結晶構造を確実に完全に整列させることは困難である。従って、すべてのシリコンタイル７が同一源９から形成されることは有利である。
【００４４】
上記にも関わらず、個々の源から、坩堝１の所望される割合にわたってシード層を形成するのに充分な物質が提供されない場合がある。そのような状況では、可能な限り少ない数の源９からシリコンタイル７を形成することが好ましい。
【００４５】
チョクラルスキープロセスを介して得られる代表的な単結晶源９を、図２Ａに示す。この図から分かるように、単結晶源９は、円柱形状プロファイルを有する。タイル７は、源９を通って平行な縦方向の面に沿って（図２Ａの点線に沿って、など）切り出すことで作られる。通常は、この工程の前に、図２Ｂに示されるものなど、円柱形から曲線端部を切り出すことで完全または部分的立方体構造が形成される。次に、図２Ｃに図示されるように、この立方体構造を縦方向に切断して、タイル７が形成される。好ましい実施形態では、源は、坩堝１内のシード層の所望される長さと等しいか、もしくはそれを超える高さ、または主軸を有する。従って、源１を通して縦方向に切り出すことにより、単一のシリコンタイル７を、坩堝１の所望される寸法の必要な距離にわたって延びるものとすることが
できる。
【００４６】
シリコンタイル７は、結晶構造の｛１１０｝面が坩堝全体にわたって水平に位置するように整列される。従って、｛１１０｝面は、一方向性凝固プロセスの過程での結晶シリコンの成長方向に対して直角である。すなわち、成長は、＜１１０＞方向に発生する。実際には、このことは、固液界面が、凝固のプロセスの過程にて＜１１０＞方向に移動することを意味する。これは、この方向への結晶成長速度を上昇させることが見出され、以下でより詳細に述べるように、それによって、単結晶構造で形成される結晶シリコンの割合を増加させることができる。
【００４７】
図３は、面｛１１０｝に対して直角である方向＜１１０＞および面｛１００｝に対して直角である方向＜１００＞を有する、シリコンシードタイル７のシード層を図示する。示されるように、タイルの上部表面は、面｛１１０｝と同一平面内にあり、面｛１００｝は、この表面に対して角度を有して位置している。
【００４８】
好ましい実施形態のシリコン供給原料８は、複数のシリコン片を含む。これらとしては、ジーメンスプロセスなどのプロセスを通して得られたシリコン塊、これまでの一方向性凝固プロセスからの再生シリコン塊、流動床反応器プロセスを通して得られた顆粒状シリコン、またはその他の適切ないずれかの源からのシリコンが挙げられ得る。種々の源からのシリコンの混合物が、適宜用いられてよい。
【００４９】
従って、使用時、本発明の好ましい実施形態は、以下のように操作される。まず、坩堝１が、シリコンスラブ６、シリコンタイル７、およびシリコン供給原料８で充填され、炉ホットゾーン２中に提供される。
【００５０】
ヒーター３が作動されて、坩堝１の内容物の溶融ステージが開始される。この溶融ステージは、ホットゾーン２を適切な温度に加熱することを含む。溶融ステージは、内容物の溶融が、坩堝１の最上部の内容物から開始するように制御される。このことは、最初に溶融する坩堝１の内容物は、シリコン供給原料８であることを意味する。溶融ステージが継続するに従って、固液界面は、シリコン供給原料８を通ってシリコンタイル７へ向かって下向きに移動する。
【００５１】
シリコンタイル７の互いに対する位置および整列は、それらが載せられているシリコンスラブ６が高い周囲温度にて想定通りに挙動することから、さらに維持される。特に、シリカ坩堝１は、加熱されると、非線形の様式にて、シリコンとは異なって膨張することが見出されている一方で、シリコンスラブ６のいかなる膨張も、そのような条件では、シリコンタイル７のそれと実質的に合致している。従って、シリコンスラブ６は、シリコンタイル７のプラットフォームを提供し、それらを、坩堝１に充填された際に与えられた密接に充填され、整列された構成に維持することを可能としている。
【００５２】
坩堝１の内容物を溶融するプロセスは、シリコンタイル７の表面が少量溶融するまで継続され、その時点にて、一方向性凝固のプロセスが開始する。以下でより詳細に説明されるように、溶融されるシリコンタイル７の量は、完全に溶融してしまう（melt-through）リスクを最小限に抑え、それらをさらなるプロセスにて最大限の回数再利用することができるように、限定されることが所望される。しかし、一方向性凝固プロセスの過程にてシード物質として作用することを可能とするためには、シリコンタイル７の少なくとも一部は溶融する必要がある。
【００５３】
シード層のシリコンタイル７は、結晶構造が整列されて、互いに密接に充填されていることから、これらは、一方向性凝固プロセスの過程にて単結晶シードとして作用する。
【００５４】
一方向性凝固プロセスの開始は、ヒーター３を制御して溶融プロセスを停止し、坩堝１中の溶融物質を、シード層から上向きに次第に凝固させることを含む。通常、このプロセスは、システムを監視している熟練したオペレーターによって開始されるが、状況によっては、開始の自動制御が適切であり得ることも考えられる。
【００５５】
一方向性凝固プロセスの過程にて、固液界面の移動方向は、前の溶融プロセスの過程でのその進行と比較して、逆となる。凝固の発生に従って、物質中に結晶構造が形成され、その結晶構造は、シリコンタイル７のシード層中のそれと整列される。従って、シードタイル７の｛１１０｝面は、シードタイル７から成長する単結晶シリコン中にて維持される。その結果、実質的にまたは大部分が単結晶シリコンから形成されるシリコンインゴット１０を形成することができる。例えば、シリコンインゴットは、少なくとも８０体積％の同じ結晶配向である単結晶シリコンから、より好ましくは、少なくとも９５％の同じ結晶配向である単結晶シリコンから形成され得る。これは、通常は４０から７０体積％の単結晶シリコンが達成可能である先行技術における｛１００｝面から成長したインゴットに匹敵する。本発明を用いることによる改善は、このように明らかである。さらに、先行技術の方法が７０体積％の単結晶シリコンを達成することができる場合であっても、ウェハの大部分が、通常は、インゴットの端部から切り出されることから、それは依然として、実際には、そのインゴットから切り出されるウェハのおよそ７０％が、多結晶および単結晶物質の混合物を含むものであるということにも留意すべきである。アルカリ性テクスチャエッチングで用いられる先行技術のウェハ中に物質のこの混合物が存在することは、ウェハの性能を制限し、その視覚的外観にとって非常にマイナスであり、これらはいずれも、その製品化の可能性に悪影響を及ぼすものである。
【００５６】
坩堝１内での物質の凝固の完了後、ホットゾーン２の温度が、炉を開けることができるまで次第に低下され、凝固物質が坩堝１から取り出される。
【００５７】
図４Ａおよび４Ｂは、成長が｛１００｝面に対して直角に（図４Ａ）、および｛１１０｝面に対して直角に（図４Ｂ）発生したシード層を用いて形成された典型的なシリコンインゴット１０の比較図を示す。各場合において、シリコンインゴットは、単結晶領域１１および多結晶領域１２を含む。単結晶領域の境界は、シード層の表面（すなわち、水平面）と角度θを形成している。｛１００｝面を示すシード層の場合、角度θは、約４５〜６５度であることが見出され（図４Ａ）、一方、｛１１０｝結晶面を有するシード層を用いることで、角度θは、実質的に９０度である（図４Ｂ）。結果として、｛１１０｝シード層を用いて形成される単結晶物質の割合は、大きく増加される。
【００５８】
シリコンインゴット１０が形成されると、それは炉から取り出され、シリコンウェハへと切り出される。ウェハ切り出しの前に、坩堝壁部からの汚染を避けるために、シリコンインゴット１０の端部が通常は除去される。さらに、シリコンスラブ７および単結晶シードタイル７の最初の高さの合計とおよそ同じ高さにて、完全な底部セクションが除去される。この底部セクションは、続いて、小さく切り落とされ、最初のスラブ６およびタイル７の交換物として再利用され得る。
【００５９】
シリコンインゴット１０を図５に図示する。図５はまた、インゴット１０がそれに沿って切り出されてシリコンウェハが形成される線も示す。図から分かるように、シリコンウェハは、実質的に平面であり、インゴット１０に沿って水平に広がっている。従って、シリコンウェハは、｛１１０｝面に対して実質的に平行に切り出される。この方法により、非常に数多くのシリコンウェハを単一のインゴット１０から切り出すことができる。ウェハは、好ましくは、ダイヤモンドワイヤーカッティングプロセスを用いて切り出される。このプロセスでは、平行なワイヤーのアレイを用いて、シリコンインゴットの複数のウェ
ハへのソーイングが行われる。ソーの各ワイヤーにダイヤモンド粒子が付着されており、通常は、溶媒を用いて、シリコンインゴットからシリコンおよび熱が運び去られる。適切なプロセスは、国際特許出願ＷＯ２０１１／０３４４３９に記載されており、その主題は、参照により本明細書に組み込まれる。好ましい実施形態のシリコンインゴット１０は、インゴット中の多結晶シリコンの量が限定されていることから、ワイヤーカッティングプロセスを特に行い易い。多結晶シリコンの量が限定されていることにより、シリコンインゴット１０において、多結晶シリコン中に見出される結晶粒界、欠陥、および転位に通常は導入される不純物の可能性が低減される。そして、これは、そのような不純物に起因して、特に炭化ケイ素などの比較的硬質の不純物にワイヤーが遭遇する場合にワイヤーカッティングプロセス中に発生し得るワイヤーへの損傷の可能性を低減するものである。
【００６０】
インゴットから切り出されると、ウェハは、通常は、洗浄され、乾燥され、一式の品質測定器具によって検査される。その後、シリコンウェハの｛１１０｝面がエッチングされて、表面積が増加され、それによってウェハの光吸収効率が向上される。好ましい実施形態では、このエッチングプロセスは、ウェハに等方性エッチングを適用することによって行われる。等方性エッチングは、ウェハの表面を、ＨＦおよびＨＮＯ３を含有する混合物などの酸と接触させることを含んでよい。用いられてよいその他の酸としては、Ｈ２ＳＯ４が挙げられる。酸ベースのエッチングプロセスでは、ウェハは、必要とされる酸溶液を含有する浴へ導入され、酸がシリコン表面と反応するに従って、それがウェハの表面にテクスチャを持たせる。このテクスチャは、不規則であるが、ウェハの光吸収特性を向上させることが見出されている。
【００６１】
シリコンウェハの表面にテクスチャを適用するために、別の選択肢としてのエッチングプロセスが用いられてもよい。例えば、別の選択肢としての実施形態では、イオンエッチングまたはプラズマエッチングが適用されてよい。そのようなプロセスの１つの例では、ナノインプリントリソグラフィおよびそれに続くプラズマエッチングが用いられて、シリコンの表面にハニカム構造を作り出すことができる。そのようなプロセスの例は、the Proc. of the 24th European Photovoltaic Solar Energy Conf. and Exhibition, 2009, Hamburg, Germany、に発表されたHauser, A. Guttowski, J. Mick, M. Pfeifer, P. Voisin, M. Hermle, et al.による論文中に記載されており、その主題は参照により本明細書に組み込まれる。
【００６２】
等方性エッチングプロセスは、単結晶および多結晶シリコンのいずれの領域においても一貫した応答を提供する。その結果、ウェハの視覚的外観を含む光吸収特性は、多結晶シリコンの領域がある程度存在していたとしても、一貫している。これらの利点は、図６Ａと６Ｂとを比較することによって明らかに見ることができる。図６Ａは、｛１００｝シード層を用いて形成された、異方性エッチングプロセスおよび反射防止コーティング（これらは、ベース物質の視覚的外観を決定する２つのプロセスである）の適用後のウェハを示す。この場合、最終的なセルにおいて明らかに視認可能である多結晶シリコンの比較的大きい領域が存在する。対照的に、図６Ｂは、｛１１０｝シード層を用いて形成され、続いて、好ましい実施形態に従う等方性エッチングプロセスを用いてウェハのエッチングが行われたシリコンウェハを示す。この技術を用いることにより、いずれの多結晶領域の領域も大きく減少されるだけでなく、ウェハのこの領域と単結晶部分との間の視覚的な相違も低減される。
【００６３】
上記の記述は、本発明の好ましい実施形態を提供するものである。しかし、当業者であれば、種々の要素が適宜変更されてよいことは理解される。例えば、シリコンインゴット１０は、｛１００｝などの異なる結晶面を有するウェハを形成するために、別の角度で切り出されてもよい。さらに、異方性エッチングプロセスが適宜用いられてよい可能性もある。
【００６４】
その他の変更および変形は、当業者に明らかである。そのような変更および変形には、既知であり、本明細書に記載の特徴の代わりに、またはそれに加えて用いられてよい同等のおよびその他の特徴が含まれてよい。別個の実施形態に関して記載した特徴は、単一の実施形態にて組み合わされて提供されてよい。逆に、単一の実施形態に関して記載した特徴も、別々に、または適切ないずれかのサブの組み合わせとして提供されてよい。
【図１】
2015505800.tif 000003
【図２Ａ】
2015505800.tif 000004
【図２Ｂ】
2015505800.tif 000005
【図２Ｃ】
2015505800.tif 000006
【図３】
2015505800.tif 000007
【図４Ａ】
2015505800.tif 000008
【図４Ｂ】
2015505800.tif 000009
【図５】
2015505800.tif 000010
【図６Ａ】
2015505800.tif 000011
【図６Ｂ】
2015505800.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成26年2月17日(2014.2.17)
【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】
結晶シリコンを作製するための方法であって、前記方法は：
全ての軸について均一な結晶配向のシリコンシード層を坩堝中に提供すること；
前記シード層上にシリコン供給原料を提供すること；
前記シリコン供給原料および前記シード層の上側部分を溶融し、それによって前記坩堝内に溶融シリコンを作り出すこと；
前記溶融シリコンを一方向性凝固させて、シリコンインゴットを形成すること；を含み、ここで、
前記シード層は、前記溶融シリコンの凝固が、前記シード層の｛１１０｝結晶面に対して直角である方向に発生するように配置される、方法。
【請求項２】
前記シリコンインゴットから１つ以上のシリコンウェハを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１つ以上のシリコンウェハの表面に、等方性エッチング工程を適用することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記エッチング工程が、前記１つ以上のシリコンウェハの表面を酸と接触させることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記酸が、ＨＦおよびＨＮＯ３の一方または両方を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記エッチング工程が、イオンエッチングまたはプラズマエッチングを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記１つ以上のウェハを形成する前記工程が、ワイヤーカッティングプロセスを含む、請求項２から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ワイヤーカッティングプロセスが、ダイヤモンドワイヤーカッティングプロセスである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の床部との間の角度が、１５度未満である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の前記床部との間の前記角度が、１０度未満である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記シード層の前記｛１１０｝結晶面と前記坩堝の前記床部との間の前記角度が、５度未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記シリコンインゴットが、前記シード層から伸びる単結晶領域を含み、前記単結晶領域の外側端部と前記シード層との間の角度は、少なくとも８０度である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記シリコンインゴットの少なくとも８０％が、前記シード層の結晶構造と整列された結晶構造を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記シード層が、複数のシードタイルを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のシードタイルが、単一の単結晶源から切り出される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
チョクラルスキープロセスによって前記単結晶源を形成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法を用いて形成されるシリコンウェハ。
【請求項１８】
請求項１７の前記シリコンウェハを含む光起電力セル。
【請求項１９】
請求項１８に記載の前記セルを含む光起電力モジュール。
【請求項２０】
一方向性凝固による結晶シリコンの作製に用いるための充填された坩堝であって、前記充填された坩堝は：全ての軸について均一な結晶整列であるシリコンシード層；および前記シード層上に配置されたシリコン供給原料を含み、ここで、前記シード層の結晶構造の｛１１０｝面は、水平方向に伸びている、充填された坩堝。
【国際調査報告】
2015505800.tif 000013
2015505800.tif 000014