(57)【要約】【課題】高効率な発電パネル用の多結晶シリコンウェーハを提供する。【解決手段】電磁鋳造法によって多結晶シリコンインゴットを製造するに際し、シリコン融液にリンを連続的又は断続的に添加することによって比抵抗を１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下に制御する。本発明によれば、ドーパントを連続的又は断続的に添加可能な電磁鋳造法を用いていることから、多結晶シリコンインゴットの比抵抗を結晶軸方向において１Ω以上、１０Ωの範囲に制御することが可能となる。しかも、ドーパントがリンであることから、Ｂ−Ｏ複合体が形成されることによる転位密度の増加も生じない。【選択図】図１
2012106881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋳造法によって育成された多結晶シリコンインゴットから切り出された発電パネル用のｎ型多結晶シリコンウェーハであって、リンの添加による比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下であることを特徴とするｎ型多結晶シリコンウェーハ。
【請求項２】
電磁鋳造法によって育成されたｎ型多結晶シリコンインゴットであって、リンの添加による比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下である領域が結晶軸方向の５０％以上であることを特徴とする多結晶シリコンインゴット。
【請求項３】
比抵抗が結晶軸の一端から他端に向かって単調変化することを特徴とする請求項２に記載のｎ型多結晶シリコンインゴット。
【請求項４】
電磁鋳造法によってｎ型の多結晶シリコンインゴットを製造する方法であって、
シリコン融液にリンを連続的又は断続的に添加することによって比抵抗を１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下に制御することを特徴とするｎ型多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項５】
リンがドープされたシリコン片を前記シリコン融液に連続的又は断続的に添加することを特徴とする請求項４に記載のｎ型シリコンインゴットの製造方法。
【請求項６】
リンの添加量を制御することによって、結晶軸の一端から他端に向かって比抵抗を単調変化させることを特徴とする請求項４又は５に記載のｎ型多結晶シリコンインゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はｎ型多結晶シリコンウェーハに関し、特に、電磁鋳造法によって作製される発電パネル用のｎ型多結晶シリコンウェーハに関する。また、本発明は、ｎ型多結晶シリコンインゴット及びその製造方法に関し、特に、電磁鋳造法によって育成される発電パネル用のｎ型多結晶シリコンインゴット及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇や地球環境の悪化などを背景に、自然エネルギーを利用した発電が注目されている。中でも、太陽光発電装置（太陽電池とも呼ばれる）は、機械的動作を伴わず、しかも、小規模なタイプから大規模なタイプまで幅広い製品展開が可能であることから、今後ますます需要が増大するものと期待されている。
【０００３】
広く知られているように、太陽光発電装置の発電パネルにはシリコンウェーハが用いられる。しかしながら、太陽光発電装置には低コスト化が強く求められることから、ＩＣデバイスに用いられる単結晶シリコンウェーハではなく、より安価な多結晶シリコンウェーハが用いられることが一般的である。また、受光面積を十分に確保すべく、多結晶シリコンウェーハの主面は、単結晶シリコンウェーハのような円形ではなく、四角形であることが望ましい。
【０００４】
四角形の多結晶シリコンウェーハを製造する方法としては、溶融シリコンを鋳型で凝固させる鋳造法（「キャスト法」ともいう）や、電磁誘導による連続鋳造法（「電磁鋳造法」ともいう）が知られている（特許文献１参照）。なかでも電磁鋳造法は、高品位な大型の多結晶シリコンインゴットを製造できることから、変換効率の高い太陽光発電パネルを比較的安価に製造することが可能である。現在、電磁鋳造法によって育成される多結晶シリコンインゴットのほとんどは、ボロンを添加したｐ型のインゴットである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３００５６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、多結晶シリコンは単結晶シリコンと異なり、結晶中に粒界や金属不純物が導入されるため、結晶の冷却中において不均一核形成が起こりやすい。特に、ボロンが添加されたｐ型の多結晶シリコンインゴットにおいては、結晶の冷却過程においてボロン原子と酸素原子がＢ−Ｏ複合体を形成し、酸素析出の核となる。結晶冷却中に形成されたＢ−Ｏ複合体は、冷却過程において数ｎｍ〜数十μｍの酸素析出物へと成長し、さらには析出物自体から成長に伴う歪を緩和すべく転位を放出する。これらの転位が連続的に各々の析出物から発生・増殖する挙動を繰り返すことで、多結晶シリコン中の転位密度を増加させ、これが変換効率を低下させる原因となる。
【０００７】
したがって、本発明は、電磁鋳造法によって製造される多結晶シリコン中の転位密度を抑制し、これにより変換効率の高い発電パネル用の多結晶シリコンウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、ボロンを添加することによってｐ型の多結晶シリコンインゴットを製造する代わりに、リンを添加することによってｎ型の多結晶シリコンインゴットを製造することを検討した。これは、リンを添加したｎ型の結晶ではＢ−Ｏ複合体が形成されないため、転位の放出源である析出物の形成が大幅に抑制され、その結果、多結晶シリコン中の転位密度が低減されると期待できるからである。
【０００９】
このような観点から、本発明者らは、電磁鋳造法によってリンドープのｎ型多結晶シリコンインゴットを育成し、これを加工することによって発電パネル用の多結晶シリコンウェーハを作製した。そして、これらのウェーハを用いて発電パネルを作製し、ウェーハの評価を行ったところ、リンのドープ量が増加するにつれて転位密度が減少することが明らかとなった。しかしながら、リンドープのｎ型多結晶シリコンにおいては、転位密度の減少と変換効率の向上との関係が直線的ではなく、濃度範囲によっては転位密度を減少させても変換効率が向上せず、かえって変換効率が低下することも明らかとなった。本発明は、このような技術的知見に基づきなされたものである。
【００１０】
本発明による多結晶シリコンウェーハは、電磁鋳造法によって育成された多結晶シリコンインゴットから切り出された発電パネル用のｎ型多結晶シリコンウェーハであって、リンの添加による比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、リンの添加による比抵抗を１Ω以上、１０Ω以下としていることから、一般に高効率と呼ばれる１６％以上の変換効率を得ることが可能となる。
【００１２】
本発明による多結晶シリコンインゴットは、電磁鋳造法によって育成されたｎ型多結晶シリコンインゴットであって、リンの添加による比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下である領域が結晶軸方向の５０％以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、リンの添加による比抵抗が１Ω以上、１０Ω以下である領域を結晶軸方向の５０％以上としていることから、１６％以上の変換効率が得られるシリコンウェーハを効率よく得ることが可能となる。
【００１４】
本発明おいては、比抵抗が結晶軸の一端から他端に向かって単調変化することが好ましい。これによれば、実際の比抵抗が設計値からずれた場合であっても、インゴットの全体が１Ω以上、１０Ω以下の領域から外れる可能性が低くなるため、ロスを低減することが可能となる。
【００１５】
本発明による多結晶シリコンインゴットの製造方法は、電磁鋳造法によってｎ型の多結晶シリコンインゴットを製造する方法であって、シリコン融液にリンを連続的又は断続的に添加することによって比抵抗を１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下に制御することを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、ドーパントを連続的又は断続的に添加可能な電磁鋳造法を用いていることから、多結晶シリコンインゴットの比抵抗を結晶軸方向において１Ω以上、１０Ωの範囲に制御することが可能となる。
【００１７】
本発明においては、リンがドープされたシリコンを前記シリコン融液に連続的又は断続的に添加することが好ましい。これによれば、リンを直接添加する場合と比べて、より高精度な濃度調整を行うことが可能となる。
【００１８】
本発明においては、リンの添加量を制御することによって、結晶軸の一端から他端に向かって比抵抗を単調変化させることが好ましい。これによれば、実際の比抵抗が設計値からずれた場合であっても、インゴットの全体が１Ω以上、１０Ω以下の領域から外れる可能性が低くなるため、ロスを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
このように、本発明によれば、１６％以上の変換効率を得ることが可能なリンドープのｎ型多結晶シリコンウェーハを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】多結晶シリコンウェーハの製造工程を概略的に示すフローチャートである。
【図２】多結晶シリコンウェーハの製造に用いる電磁鋳造装置１０の模式図である。
【図３】無底ルツボ１４の構造を示す略斜視図である。
【図４】多結晶シリコンインゴットからシリコンウェーハを切り出す切断工程を説明するための模式図である。
【図５】リンドープのｎ型多結晶シリコンウェーハの比抵抗と欠陥密度及び変換効率との関係を示す模式的なグラフである。
【図６】画像撮影装置で観察した欠陥像の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は、多結晶シリコンウェーハの製造工程を概略的に示すフローチャートである。
【００２３】
図１に示すように、まず電磁鋳造法によってｎ型の多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造する（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０１においては、後述するように、シリコン融液にリンを連続的又は断続的に添加することによって、比抵抗を１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下に制御する。これにより、リンの添加による比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下であるｎ型の多結晶シリコンインゴットが育成される。多結晶シリコンインゴットの比抵抗は、結晶軸方向の全長に亘って１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下の範囲であることが望ましいが、本発明においては全長に亘って１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下であることは必須でなく、１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下である領域が結晶軸方向の５０％以上であれば足りる。１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下である領域が結晶軸方向の５０％以上あれば、ここから切り出される多結晶シリコンウェーハの半数以上を良品とすることができるからである。
【００２４】
次に、多結晶シリコンインゴットから複数のシリコンブロックを切り出した後（ステップＳ１０２）、このシリコンブロックを所定の厚さにスライスし（ステップＳ１０３）、さらに表裏面を研磨してその厚さと平坦度を調整することにより（ステップＳ１０４）、多結晶シリコンウェーハが完成する。
【００２５】
図２は、本実施形態による多結晶シリコンウェーハの製造に用いる電磁鋳造装置１０の模式図である。
【００２６】
図２に示す電磁鋳造装置１０は、内部の発熱を遮断する二重壁構造の水冷容器からなるチャンバー１１を有する。チャンバー１１は、上部に設けられた遮蔽手段１２を介して原料投入装置５に連結されており、これにより原料投入装置５から原料である粒状又は塊状のシリコン材料Ｓ及びドーパント材料Ｄが連続的又は断続的に供給される。ドーパント材料Ｄはリンを含む材料であり、リンそのものであっても構わないが、チョクラルスキー法によって育成されたリンドープのシリコンインゴットを細かく砕いたシリコン片を用いることが好ましい。ドーパント材料Ｄとしてこのようなシリコン片を用いれば、リンの添加量に対して投入するドーパント材料Ｄの質量が大きくなることから、添加量を高精度に調整することが可能となる。
【００２７】
また、ドーパント材料Ｄの投入量は、結晶軸方向に濃度が徐々に高くなる又は低くなるように調整することが好ましい。これは、実際に得られる比抵抗が必ずしも設計値どおりとはならないため、結晶軸方向に濃度を一定に制御すると、実際の比抵抗が設計値からずれた場合、１本のインゴットが全て規格外となってしまうからである。これに対し、結晶軸方向に濃度が徐々に高くなる又は低くなるように調整し、これによって結晶軸の一端から他端に向かって比抵抗を単調変化させれば、実際の比抵抗が設計値からずれた場合であっても、結晶軸方向の５０％以上に亘って比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下の範囲内となる可能性が高くなるためロスを低減することが可能となる。
【００２８】
原料投入装置５から供給されるシリコン材料Ｓ及びドーパント材料Ｄは、原料投入配管１３を介して、無底ルツボ１４に投入される。無底ルツボ１４は、シリコン材料Ｓ及びドーパント材料Ｄの投入口となる上方開口部１４ａと、多結晶シリコンインゴット１の取り出し口となる下方開口部１４ｂを有している。無底ルツボ１４の下方開口部１４ｂから取り出された多結晶シリコンインゴット１は、チャンバー１１の底部に設けられた引出し口１５から引き出される。また、チャンバー１１の上部側壁には不活性ガス導入口１６が設けられ、チャンバー１１の下部側壁には真空吸引口１８が設けられている。
【００２９】
無底ルツボ１４は、図３に示すように銅製の水冷角筒体であり、部分的な縦方向のスリット１４ｃにより周方向に複数分割されている。無底ルツボ１４の周囲には、誘導コイル１４ｄが設けられている。誘導コイル１４ｄは、無底ルツボ１４のスリット１４ｃを設けた位置の外周側に同芯に周設され、図示されていない同軸ケーブルにて電源に接続される。これにより、誘導コイル１４ｄに電流を流すと、無底ルツボ１４内のシリコン材料Ｓ及びドーパント材料Ｄが誘導加熱され、リンドープのシリコン融液Ｓ０となる。また、無底ルツボ１４の真上には加熱手段１９が昇降可能に設けられ、下降した状態で無底ルツボ１４内に装入されるようになっている。但し、本発明において加熱手段１９を用いることは必須でない。
【００３０】
チャンバー１１内にはアフターヒーター２０が設けられている。アフターヒーター２０は、無底ルツボ１４の下方開口部１４ｂに同芯に連設され、無底ルツボ１４から引き下げられるインゴット１を加熱して、その軸方向に所定の温度勾配を与える。
【００３１】
アフターヒーター２０の下方には、ガスシール部２１が設けられるとともに、インゴット１を支えながら下方へ引き出す引き抜き装置２２が設けられている。
【００３２】
図４は、多結晶シリコンインゴットからシリコンウェーハを切り出す切断工程を説明するための模式図である。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、多結晶シリコンインゴット１は、全長Ｌ０を分割してｎ個の中インゴット２を得る。ここで、成長方向に分割とは、図４に示すＸＹ平面で切断することを意味する。ラインＣ１１は等分割の切断位置を示している。インゴットの分割数は特に限定されず、最終目標とするシリコンブロックの長さに応じて適宜決定すればよい。
【００３４】
次に、中インゴット２の断面（ＸＹ平面）をマトリクス状に６分割することによって、断面が略正方形の多結晶シリコンブロック３を得る。インゴットの断面サイズが例えば５０５×３４５ｍｍの矩形である場合、中インゴット２を６分割して約１５６×１５６ｍｍのシリコンブロックを得ることができる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、中インゴット２をラインＣ２１、Ｃ２２の位置で切断して鋳肌面を除去し、さらにラインＣ２３の位置で切断してＸ軸方向に２分割する。さらに、図４（ｃ）に示すように、２分割された小インゴット２ａの各々をラインＣ３１、Ｃ３２の位置で切断して鋳肌面を除去し、さらにラインＣ３３、Ｃ３４の位置で切断してＹ軸方向に３分割する。以上により、図４（ｄ）に示すように、中インゴット２が最終的に６分割された多結晶シリコンブロック３を得ることができる。
【００３５】
このようにして得られた多結晶シリコンブロック３は、成長方向に対して垂直に、つまりＸＹ平面に沿ってスライスされ、これによって図４（ｅ）に示すように、ほぼ正方形の多結晶シリコンウェーハ４が取り出される。
【００３６】
図５は、リンドープのｎ型多結晶シリコンウェーハの比抵抗と欠陥密度及び変換効率との関係を示す模式的なグラフである。
【００３７】
図５に示すように、リンドープのｎ型多結晶シリコンウェーハは、比抵抗が小さいほど（リンの添加量が多いほど）欠陥密度が少なくなる。これは、添加されるリンが転位の発生を抑制しているものと考えられる。これに対し、変換効率については、１Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの範囲において高い変換効率が得られ、比抵抗が１Ωｃｍ未満又は１０Ωｃｍ超になると、変換効率が急激に低下する。
【００３８】
また、１Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの範囲内に着目すると、ａΩｃｍ〜１０Ωｃｍの範囲においては比抵抗が小さいほど（リンの添加量が多いほど）変換効率が高くなる。つまり、ａΩｃｍ〜１０Ωｃｍの範囲においては、欠陥密度の低下に沿って変換効率が高くなる傾向が見られる。これに対し、１Ωｃｍ〜ａΩｃｍの範囲においては比抵抗が小さいほど（リンの添加量が多いほど）変換効率が低くなる。これは、１Ωｃｍ〜ａΩｃｍの範囲においては、欠陥密度が低下による変換効率の向上よりも、比抵抗が低すぎることによる変換効率の低下の影響が大きいものと考えられる。ａの値は諸条件により変動するが、４〜８程度である。
【００３９】
そして、本発明においては、多結晶シリコンインゴット１の比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下である領域が結晶軸方向の５０％以上存在していることから、ここから切り出される半数以上の多結晶シリコンウェーハ４の比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下となる。本発明者らの研究によれば、リンドープによって比抵抗が１Ωｃｍ以上、１０Ωｃｍ以下であるｎ型の多結晶シリコンウェーハを発電パネル用に使用すると、１６％以上の変換効率が得られることを確認している。これは、比抵抗が１０Ωｃｍ以下となるようリンの添加量を設定すると転位密度が十分に低下するからであり、その一方で、リンの添加量が多すぎると比抵抗が１Ωｃｍ未満となり、かえって変換効率が低下するからであると考えられる。
【００４０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【実施例】
【００４１】
図２に示した構造を有する電磁鋳造装置を用い、投入するドーパント材料Ｄの種類及び濃度を変えることによって複数の多結晶シリコンインゴットＡ〜Ｇを育成した。各インゴットのサイズは、断面が５０５×３４５ｍｍ、長さが７０００ｍｍであり、ドーパント材料Ｄの種類及び濃度は表１に示すとおりである。
【００４２】
【表１】
2012106881.tif 000003
【００４３】
次に、得られたインゴットＡ〜Ｇを図４に示した方法でブロック化し、スライスすることによって１５６ｍｍ角の多結晶シリコンウェーハを切り出した。そして、結晶ボトムから２０００ｍｍの位置から切り出したウェーハに対し、画像解析による欠陥評価及び変換効率を評価した。
【００４４】
欠陥評価は、硝酸、酢酸、沸酸の混酸液（１０：１０：１）に各ウェーハを１分間浸漬し、その後、画像撮影装置で表面の欠陥像を観察することにより行った。図６は、欠陥像の一例であり、白く見える部分が欠陥領域である。そして、ウェーハ面積に対する欠陥領域の占有率を算出した。したがって、面積占有率が大きいほど欠陥密度が高いことを意味する。評価の結果を変換効率とともに表２に示す。
【００４５】
【表２】
2012106881.tif 000004
【００４６】
表２に示すように、インゴットＡから切り出されたウェーハ（ボロンが添加されたｐ型のウェーハ）においては、欠陥の面積占有率が３６％であり、変換効率は１５．７％であった。一方、インゴットＢ〜Ｇから切り出されたウェーハ（リンが添加されたｎ型のウェーハ）においては、比抵抗が小さいほど（添加量が多いほど）欠陥の面積占有率が小さくなり、比抵抗が１０Ωｃｍ〜８Ωｃｍの範囲においては欠陥の面積占有率が小さいほど変換効率が高くなることが確認された。但し、比抵抗が８Ωｃｍ未満の領域では比抵抗が小さいほど（添加量が多いほど）変換効率が逆に低下し、０．５Ωｃｍでは変換効率がインゴットＡから切り出されたウェーハと同等まで低下した。以上の結果から、リンドープによるｎ型ウェーハの比抵抗が１Ωｃｍ〜１０Ωｃｍの範囲であれば、ボロンドープによるｐ型ウェーハよりも十分に高い、１６％以上の変換効率が得られることが確認された。
【符号の説明】
【００４７】
１        多結晶シリコンインゴット
２        中インゴット
２ａ      小インゴット
３        多結晶シリコンブロック
４，４ａ〜４ｆ  多結晶シリコンウェーハ
５        原料投入装置
１０      電磁鋳造装置
１１      チャンバー
１２      遮蔽手段
１３      原料投入配管
１４      無底ルツボ
１４ａ    上方開口部
１４ｂ    下方開口部
１４ｃ    スリット
１４ｄ    誘導コイル
１５      引出し口
１６      不活性ガス導入口
１８      真空吸引口
１９      加熱手段
２０      アフターヒーター
２１      ガスシール部
２２      引き抜き装置
Ｄ        ドーパント材料
Ｓ        シリコン材料
Ｓ０      シリコン融液
【図１】
2012106881.tif 000005
【図２】
2012106881.tif 000006
【図３】
2012106881.tif 000007
【図４】
2012106881.tif 000008
【図５】
2012106881.tif 000009
【図６】
2012106881.tif 000010