(57)【要約】【課題】結晶粒界の少ない高品質なシリコン結晶インゴットの製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】耐熱性の容器２に保持されたシリコン融液Ｍに板状の種結晶Ｓを浸漬することにより、粒径の大きいシリコン結晶を板状の種結晶Ｓから側方および下方へ向かって成長させる。種結晶Ｓを板状とすることで、種結晶Ｓとシリコン融液Ｍとの接触面積が増大し、種結晶Ｓのシリコン融液Ｍからの抜熱量も増大するので、種結晶の表面から結晶粒子が成長し易くなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性の容器に保持されたシリコン融液に種結晶を浸漬することにより結晶を成長させるシリコン結晶インゴットの製造方法において、
前記シリコン融液に板状の種結晶を浸漬し、シリコン結晶を前記板状の種結晶から側方および下方へ向かって成長させることを特徴とするシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項２】
前記容器を空の状態で所定位置に設置して加熱し、
前記容器の内側の空間の、前記シリコン融液を保持したときに前記シリコン融液の液面が位置する高さにおける水平方向の温度分布を測定して、当該高さにおいて最も温度の低い箇所を低温部として特定し、
その後、前記容器に前記シリコン融液を保持した状態として、
前記シリコン融液液面の、前記低温部に相当する箇所に前記板状の種結晶を浸漬することを特徴とする請求項１に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項３】
容器内に保持された前記シリコン融液の液面の温度分布を測定し、
前記シリコン融液の液面における最も温度の低い箇所に、前記板状の種結晶を浸漬することを特徴とする請求項１に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項４】
前記板状の種結晶を、最も広い面を鉛直にして前記シリコン融液に浸漬し、前記シリコン融液の温度を徐々に下げることにより、融液と種結晶の接触部分から水平方向および下方向へシリコン結晶を成長させることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項５】
前記板状の種結晶を、最も広い面を水平にして前記シリコン融液に浸漬し、前記シリコン融液の温度を徐々に下げることにより、融液と種結晶の接触部分から水平方向および下方向へシリコン結晶を成長させることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項６】
前記容器として、側壁下部の内側壁面が底壁に対し鉛直に形成され、該側壁下部の上に連設された側壁中部の内側壁面が前記側壁下部の内側壁面に対し所定角度で上方に向かって拡がるように傾斜し、該側壁中部の上に連接された側壁上部の内側壁面が前記底壁に対し鉛直に形成されたものを用い、
前記シリコン融液を、その液面が前記容器の前記側壁中部または前記側壁上部に達するように充填した状態で前記板状の種結晶を浸漬することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項７】
前記容器として、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものを用いることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法。
【請求項８】
シリコン融液を保持する容器と、前記シリコン融液を加熱する加熱手段と、前記シリコン融液に浸漬する種結晶を保持する保持手段を備えるシリコン結晶インゴットの製造装置において、
前記容器内側の空間における水平方向の温度分布を測定するための温度測定装置と、
前記保持手段および保持された種結晶を上下方向および水平方向に移動可能な駆動機構と、を有し、
前記保持手段は、板状の前記種結晶を、最も広い面が鉛直または水平となるように保持することが可能に構成され、
前記駆動機構は、前記温度測定装置によって、前記容器内の水平方向の温度分布を測定し、前記容器の水平方向で最も低温領域に前記種結晶を移動させ浸漬することを特徴とするシリコン結晶インゴットの製造装置。
【請求項９】
前記容器は、側壁下部の内側壁面が底壁に対し鉛直に形成され、該側壁下部の上に連設された側壁中部の内側壁面が前記側壁下部の内側壁面に対し所定角度で上方に向かって拡がるように傾斜し、該側壁中部の上に連接された側壁上部の内側壁面が前記底壁に対し鉛直に形成されていることを特徴とする請求項８に記載のシリコン結晶インゴットの製造装置。
【請求項１０】
前記容器を水平方向に沿って切断したときの断面形状は、正方形または長方形であることを特徴とする請求項８または９に記載のシリコン結晶インゴットの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン結晶インゴットの製造方法およびシリコン結晶インゴットの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多結晶シリコンを製造する際には、内側壁面に離型材を形成した容器に溶融した原料シリコンであるシリコン融液（以下融液）を保持し、融液を下方から上方へ向かって一方向に固化させていく方法（キャスト法または一方向凝固法）を用いるのが一般的である。しかし、この方法では、結晶が成長を開始する際に容器底部に形成された離型材の影響を受けるため、必然的に結晶粒界が多くなり、粒子が微細化してしまう。このため、この方法で製造した多結晶シリコンを用いた太陽電池では、エネルギー変換効率が低いという問題があった。
【０００３】
そこで、離型材のない清浄な融液面から水平方向または下方に結晶成長させることによって、結晶粒界の発生を抑制する方法が開発されるようになった。具体的なものしては、例えば、冷媒（不活性ガス、または石英、炭素、炭化珪素、窒化珪素、金属などで形成した棒）をるつぼに入った融液の液面中央部、すなわち、通常、液面の最も温度が低くなる箇所に近づける、或いは浸漬することにより、多結晶シリコンを冷媒近接部或いは接触部から下方へ成長させるようにしたものがある（特許文献１参照）。
また、シリコン融液の液面中央部にシリコンの種結晶を浸漬することにより、多結晶シリコンを種結晶から下方へ向かって成長させるようにした方法もある（特許文献２参照）。なお、これらの方法では、多結晶シリコンがるつぼの内側壁面に接触するまで成長する前にるつぼの底部に穴を開けて残った融液を排出し、融液が凝固する際の膨張応力によりインゴットが歪んだり、るつぼが損傷したりするのを防ぐようにすることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４５２８９９５号公報
【特許文献２】特許第４７４８１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の製造方法により製造された多結晶シリコンは、底部から成長させた場合よりも結晶粒界が少なくなったものの、まだ十分とはいえなかった。このため、多結晶シリコンを用いた太陽電池は、エネルギー変換効率が依然として低いという問題があった。
また、インゴットの製造に角型石英容器を用いたとき、断熱部材等の最適化等が充分でないと、シリコン融液の対流が偏ったものとなり、液面の最も温度の低い箇所が必ずしも液面中央部にならない場合がある。このような場合、液面中央部に冷媒や種結晶を浸漬しても、より温度の低い対流の下流方向にあるるつぼの壁面から結晶化が進行してしまい、多結晶シリコンを種結晶からうまく成長させることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、結晶粒界の少ない高品質なシリコン結晶インゴットの製造方法および製造装置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】
【０００７】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、耐熱性の容器に保持されたシリコン融液に種結晶を浸漬することにより結晶を成長させるシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記シリコン融液に板状の種結晶を浸漬し、シリコン結晶を前記板状の種結晶から側方および下方へ向かって成長させることを特徴としている。
なお、本明細書中の「シリコン結晶」の記載には、単結晶、多結晶の何れも含まれる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記容器を空の状態で所定位置に設置して加熱し、前記容器の内側の空間の、前記シリコン融液を保持したときに前記シリコン融液の液面が位置する高さにおける水平方向の温度分布を測定して、当該高さにおける最も温度の低い箇所を低温部として特定し、その後、前記容器に前記シリコン融液を保持した状態として、前記シリコン融液液面の、前記低温部に相当する箇所に前記板状の種結晶を浸漬することを特徴としている。
ここで、前記空間の水平方向の温度分布を測定する際、シリコン融液の液面が位置すると想定される高さに熱電対などの計測手段を配置して水平方向に移動させながら測定することになるが、熱電対を配置する高さは、容器の容積、シリコン原料の充填量、シリコン原料とシリコン融液の密度から、想定される容器内でのシリコン融液の液面の高さを算出することにより決定する。
また、シリコン融液の液面へ種結晶を浸漬する場合、種結晶の浸漬箇所への移動は、種結晶を上下方向および水平方向に移動可能に保持できる種結晶保持機構等を用いることにより行う。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記シリコン融液の液面の温度分布を測定し、前記シリコン融液の液面における最も温度の低い箇所に、前記板状の種結晶を浸漬することを特徴としている。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記板状の種結晶を、最も広い面を鉛直にして前記シリコン融液に浸漬し、前記シリコン融液の温度を徐々に下げることにより、融液と種結晶の接触部分から融液の液面と水平な方向および融液の下方向へシリコン結晶を成長させることを特徴としている。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記板状の種結晶を、最も広い面を水平にして前記シリコン融液に浸漬し、前記シリコン融液の温度を徐々に下げることにより、融液と種結晶の接触部分から融液の液面と水平な方向および融液の下方向へシリコン結晶を成長させることを特徴としている。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記容器として、側壁下部の内側壁面が底壁に対し鉛直に形成され、該側壁下部の上に連設された側壁中部の内側壁面が前記側壁下部の内側壁面に対し所定角度で上方に向かって拡がるように傾斜し、該側壁中部の上に連接された側壁上部の内側壁面が前記底壁に対し鉛直に形成されたものを用い、前記シリコン融液を、その液面が前記容器の前記側壁中部または前記側壁上部に達するように充填した状態で前記板状の種結晶を浸漬することを特徴としている。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６の何れか一項に記載のシリコン結晶インゴットの製造方法において、前記容器として、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものを用いることを特徴としている。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、シリコン融液を保持する耐熱性の容器と、前記シリコン融液を加熱する加熱手段と、前記シリコン融液に浸漬する種結晶を保持する保持手段を備える多結晶シリコンの製造装置において、前記容器内側の空間における水平方向の温度分布を測定するための温度測定装置と、前記保持手段および保持された種結晶を上下方向および水平方向に移動可能な駆動機構と、を有し、前記保持手段は、板状の前記種結晶を、最も広い面が鉛直または水平となるように保持することが可能に構成され、前記駆動機構は、前記温度測定装置によって、前記容器内の水平方向の温度分布を測定し、前記容器の水平方向で最も低温領域に前記種結晶を移動させ浸漬することを特徴としている。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の多結晶シリコンの製造装置において、前記容器は、側壁下部の内側壁面が底壁に対し鉛直に形成され、該側壁下部の上に連設された側壁中部の内側壁面が前記側壁下部の内側壁面に対し所定角度で上方に向かって拡がるように傾斜し、該側壁中部の上に連接された側壁上部の内側壁面が前記底壁に対し鉛直に形成されていることを特徴としている。
【００１６】
請求項１０に記載の発明は、請求項８または９に記載の多結晶シリコンの製造装置において、前記容器を水平方向に沿って切断したときの断面形状は、正方形または長方形であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、板状の種結晶をシリコン融液に浸漬するため、従来のチョクラルスキー法やカイロポーラス法で用いられるような角柱状の種結晶を使用する方法、または融液面上に生成した結晶核を成長させるような方法と比較して、種結晶とシリコン融液との接触面積が増大し、種結晶のシリコン融液からの抜熱量が増大する。このため、種結晶の表面から結晶粒子が成長し易くなり、粒径が大きく結晶粒界が少ない高品質なシリコン結晶インゴットを製造することができる。そして、このインゴットから切り出したウエハーを用いれば、従来よりもエネルギー変換効率の高い太陽電池を製造することができる。
また、シリコン融液の対流が偏り、種結晶を浸漬する液面中央部の温度が最も低くならない場合があっても、板状の種結晶の厚みを増すことによって種結晶の抜熱量を大きくし、種結晶から粒径が大きく結晶粒界の数が少ないシリコン結晶を成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係るシリコン結晶インゴットの製造装置を示す縦断面図である。
【図２】図１のるつぼの側壁を拡大して示した図である。
【図３】シリコン融液の理想的な対流を側方から示した図である。
【図４】（ａ）は同実施形態の製造装置を使用した際のシリコン融液の対流の一例を側方から示した図であり、（ｂ）は同対流を上方から示した図である。
【図５】同実施形態の製造装置で用いられる種結晶の形状及び寸法と保持方法の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
＜実施形態＞
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
〔シリコン結晶インゴットの製造装置〕
まず、本実施形態のシリコン結晶インゴットの製造装置（以下、製造装置１）の概略構成について説明する。
図１に示すように、本実施形態の製造装置１は、るつぼ２、サセプタ３、種結晶保持機構４、ヒーター５、輻射シールド６などで構成されている。
【００２１】
るつぼ２は、シリコン結晶の原料であるシリコン融液（以下融液Ｍ）を入れるための耐熱性の容器であって、例えば石英で形成されている。また、るつぼ２は、上面が開口された有底の角筒状をなし、水平方向に沿って切断したときの断面形状は正方形または長方形となっている。つまり、るつぼ２は、図４（ｂ）に示すように、側面をなす４つの側壁２１〜２４を有する。各側壁２１〜２４は、図２に示すように、その内側壁面２１ｂ〜２４ｂが鉛直に形成された側壁下部２１ａ〜２４ａと、側壁下部２１ａ〜２４ａの上方で、その内側壁面２１ｄ〜２４ｄがテーパー角（鉛直方向に対する傾斜角）θで上面開口部に向かって拡がるように傾斜している側壁中部２１ｃ〜２４ｃと、側壁中部２１ｃ〜２４ｃの上方で、その内側壁面２１ｆ〜２４ｆが鉛直に連設された側壁上部２１ｅ〜２４ｅに区画される。
図１の説明に戻る。サセプタ３は、るつぼ２を保持するための部材であって、カーボンでるつぼ２を収納可能な形状（ここでは略立方体状）に形成されるとともに、本体内部（図示省略）に配置されている。
【００２２】
種結晶保持機構４は、種結晶Ｓを保持し、かつ移動させるためのものである。種結晶保持機構４は、本体上部（図示省略）に設けられる駆動機構（図示省略）と、駆動機構から鉛直方向下方へ延びるロッド部４１と、ロッド部４１の下端から側方に延びる延出部４２、延出部４２の先端に設けられる保持部４３からなる。ロッド部４１は、駆動機構により上下動可能、かつロッド部４１の中心軸を回転軸として回動可能となっている。なお、ロッド部４１は、その回転軸がるつぼ２底面の中心を通るよう配置されている。保持部４３は、矩形板状の種結晶Ｓを、最も広い面（以下主面Ｓ１）を、鉛直且つその垂線を延出部４２の延出方向と並行にした状態、または水平にした（主面Ｓ１を融液Ｍの液面に向けた）状態で保持するようになっている。
【００２３】
これにより、種結晶Ｓは、上方から見たときにロッド部４１を中心とする円を描くように移動可能となり、種結晶Ｓを四方の側壁２１〜２４のうち何れか（図では側壁２１）に近づけた場合、主面Ｓ１は種結晶Ｓから最も遠ざかった側壁（図では側壁２２）の方向を向くことになる。また、種結晶Ｓがある側壁に最も近づくと、主面Ｓ１と側壁の内側壁面とが並行となり、この側壁の左右両端からこの側壁と垂直に延びる両側壁から種結晶Ｓまでの各距離はそれぞれ等しくなる。
【００２４】
ヒーター５は、サセプタ３およびサセプタ３に保持されるるつぼ２を加熱するためのもので、サセプタ３の側方に、サセプタ３を囲むように設けられている。ヒーター５によるるつぼ２の加熱温度は、任意に調節できるよう構成されている。
輻射シールド６は、ヒーター５からの輻射熱を遮り、種結晶Ｓの融解を防ぐためのものであり、上下方向に開口する筒状の部材である。輻射シールド６は、上下動可能に構成されており、最も上に移動したときはるつぼ２およびサセプタ３の上方に位置し、最も下に移動したときは、図１に示したように、その下部がサセプタ３に取り付けられたるつぼ２の内側に、その内壁と僅かに隙間を開けて挿入された状態となる。
【００２５】
〔るつぼ内側の温度分布〕
ヒーター５でるつぼ２を加熱する際、るつぼ２中に融液Ｍが入っているか否かに関らず、るつぼ２の内側の空間には場所ごとに温度差が生じる。そして、るつぼ２に融液Ｍが入っている場合、融液Ｍの場所毎の温度は、融液Ｍが入っていない場合の上記空間の温度に対応する。すなわち、空間の、融液Ｍを保持したときに融液Ｍの液面が位置する高さにおける水平方向の温度分布は、融液Ｍの液面の温度分布と同様の傾向を示す。つまり、相対的に高い温度が計測された箇所では、融液Ｍが保持されたときの液面の温度も相対的に高く、相対的に低い温度が計測された箇所では、融液Ｍの液面の温度も低くなる。このため、融液Ｍの液面には、温度の高いほうから低い方へ流れる対流が生じる。
【００２６】
本実施形態の製造装置１のようにヒーター５がるつぼ２の側方に、側壁２１〜２４から等距離に配置されていれば、本来、るつぼ２の内側の空間温度および融液Ｍの温度は、図３に示すように、るつぼ２の側壁近傍で最も高く側壁から離れるほど低くなる。このため、融液Ｍの対流は、液面付近においては、側壁近傍（周囲部）から中心部に向かう流れとなるはずである。
【００２７】
しかし、本実施形態のような角筒状のるつぼ２を用いた場合、製造装置１における断熱部材等の最適化が充分でない、ヒーター５による炉内温度分布に偏りがある等の要因により、るつぼ２の内側の温度分布に偏りが生じ、融液Ｍの対流が必ずしも図３に示したような流れとならないことがある。多くの場合は、図４に示すように、るつぼ２の内側の温度が一端側（図では側壁２２側）で高く、他端側（側壁２１側）で低くなり、融液Ｍの液面の対流は、るつぼ２の該一端側から該他端側に向かう流れになる。
【００２８】
〔シリコン結晶インゴットの製造方法１〕
次に、本実施形態のシリコン結晶インゴットの製造方法について説明する。
本実施形態では、上記の製造装置１を用い、カイロポーラス法によって多結晶シリコンを製造する。まず、種結晶Ｓの浸漬位置を決定する。具体的には、るつぼ２を空の状態で製造装置１に設置して加熱する。そして、るつぼ２の内側の空間の、融液Ｍを保持したときに融液Ｍの液面が位置する高さにおける水平方向の温度分布を測定する。測定は、例えば、水平移動可能な熱電対を備えた温度測定装置を融液Ｍの液面から所定の高さに設置し、温度を計測しながら熱電対を水平移動させることにより行う。なお、熱電対を配置する高さ（温度分布を測定する高さ）は、るつぼ２の容積、シリコン原料の充填量、シリコン原料と融液Ｍの密度などから想定される融液Ｍの液面の高さを算出することにより決定する。そして、得られた温度分布から、当該高さにおける最も温度の低い箇所を低温部として特定する。後でこのるつぼ２にシリコン融液が保持された状態となったとき、融液Ｍ液面の、空間における低温部に相当する箇所が、液面において最も温度の低い部分となる。そして、種結晶Ｓが低温部に近づき得る最も近い位置が種結晶Ｓの浸漬位置（図４のＬで示される箇所）となる。
【００２９】
次に、製造装置１に種結晶Ｓを取り付ける。具体的には、半円板状または矩形板状の種結晶Ｓを、主面Ｓ１が、鉛直となるように４３に保持させる。種結晶Ｓの形状やサイズ（主面の高さ及び幅、厚さ）については、対流の速さ、製造したいインゴットの品質などに応じて適宜決定すればよい。また、種結晶Ｓは新規に製造するのではなく、製品として使えなかったウエハーを丸ごと或いは半分に割って用いれば、無駄を少なくすることができる。
【００３０】
次に、原料を入れるるつぼ２の内側壁面に離型材Ｒ（図３参照）を形成し、原料が直接るつぼ２に接触しないようにする。そして、るつぼ２をサセプタ３にセットし、原料となるシリコンをるつぼ２に充填する。充填するシリコンの量は、この後融解させたときの液面がるつぼ２の側壁下部２１よりも高い位置（側壁中部、望ましくは側壁上部）まで来るように調整しておく。そして、製造装置１内部の空気をアルゴン（Ａｒ）ガスで置換したのち、ヒーター５によって、シリコンを融点よりも高い温度で加熱してシリコンを融解させる。
【００３１】
そして、種結晶保持機構４のロッド部４１を回動させて、予め決定しておいた浸漬位置の上方に種結晶Ｓを移動させる。種結晶Ｓを移動させると、種結晶Ｓの主面Ｓ１は、るつぼ２の一端側（シリコン融液の最も温度の高い箇所の方向）を向く。そして、種結晶Ｓを下方に移動させる。こうして、多結晶シリコンを成長させるのに最適な箇所（ここではるつぼ２の他端側、上部対流の最も下流側：図４のＬで示される箇所）に種結晶Ｓが浸漬される。これにより、種結晶Ｓの主面Ｓ１から多結晶シリコンを、水平方向、特に、るつぼ２の一端側（上部対流の上流方向）に向かって成長させることができる。
【００３２】
また、多結晶シリコンが融液Ｍの上を覆う程度に成長したところでヒーター５の温度を下げていくと、多結晶シリコンが下方へ向かって成長していく。シリコンは凝固するときに融液のときよりも膨張するので、このとき、融液Ｍは、多結晶シリコンの体積膨張により圧縮され、るつぼ２の側壁および底壁にかかる圧力が増大する。このため、種結晶保持機構４を操作して種結晶Ｓを所定速度で引き上げながら多結晶シリコンを成長させることにより、多結晶シリコンの体積膨張に伴い融液Ｍが受ける圧力を緩和する。これにより、融液Ｍの圧力でるつぼ２が破損し、融液Ｍが外に漏れ出して高価なサセプタ３を破損してしまうのを防ぐことができる。なお、種結晶Ｓの引き上げ速度は、融液Ｍが凝固する際の鉛直方向の体積膨張の程度に応じて設定する。
【００３３】
また、融液Ｍが凝固する際の膨張応力は水平方向にも作用する。しかし、融液Ｍの液面をるつぼ２の側壁下部２１よりも高くしてあるので、多結晶シリコンの水平方向の膨張応力は、るつぼ２の側壁中部２２の傾斜した内側壁面２２ａにも作用し、それによって多結晶シリコンが上方向に持ち上げられる。このため、多結晶シリコンがシリコン融液を下方へ圧縮しようとする膨張応力が相殺され、シリコン融液の圧力上昇が防止される。
以上、本実施形態の製造装置１を用いて多結晶シリコンのインゴットを製造する方法について説明したが、この製造装置や製造方法で製造できるのは多結晶シリコンに限られない。すなわち、るつぼ２の形状やサイズ、種結晶の形状、サイズ、浸漬時の温度、浸漬位置、融液Ｍの量、温度、対流の速さ、冷却の速度、断熱材の構造、充填された不活性ガスの温度、圧力、対流の速さなどの要素を最適化することで、単結晶シリコンの製造も可能である。
【００３４】
〔シリコン結晶インゴットの製造方法２〕
次に、本実施形態のシリコン結晶インゴットのより好ましい製造方法について説明する。本製造方法は、上記製造方法と種結晶の浸漬の仕方のみが異なるので、他の工程についてはその説明を省略する。
種結晶Ｓの浸漬位置を決定した後、製造装置１に種結晶Ｓを取り付ける。ここでは、るつぼ２の内側空間を水平に切断したときにできる矩形または正方形よりも一回り小さな矩形または正方形の板状（例えば内側空間の水平断面が１８０ｍｍ四方の正方形であれば、１００ｍｍ四方の正方形）で厚さ５ｍｍ以上の種結晶Ｓを、主面Ｓ１が、水平となるように４３に保持させる。そして、融液Ｍを用意し、種結晶Ｓを予め決定しておいた浸漬位置に浸漬させる。主面Ｓ１を水平にすると、種結晶Ｓが融液Ｍの液面に浸漬されるときに、液面の多くの部分が主面Ｓ１と接触することとなり、更に、種結晶Ｓと融液Ｍとの間に表面張力が働いて液面が種結晶Ｓによって固定されるので、液面近傍の融液Ｍの対流が抑制され結晶の成長核が形成され易くなる。また、種結晶Ｓの厚さを５ｍｍ以上とすると、種結晶Ｓの抜熱量が大きくなる。このため、主面Ｓ１を垂直にして種結晶Ｓを浸漬するよりも、個々の粒子が大きく、結晶粒界の少ないシリコン多結晶を成長させることができる。
【００３５】
＜具体例＞
次に、上記の製造方法および製造された多結晶シリコンのインゴットの具体例について説明する。
まず、製造装置１に種結晶Ｓをセットした。種結晶Ｓは、半径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの半円状のものを用いた。そして、図５に示すように、主面Ｓ１の直線部が下端にくるようにしてその頂部を保持部４３に固定することにより種結晶Ｓを種結晶保持機構４に保持させた。
【００３６】
シリコンを入れるためのるつぼ２は、内側寸法が幅１８０ｍｍ×奥行き１８０ｍｍ×深さ６０ｍｍの水平方向断面が正方形の角筒型で、側壁中部のテーパー角θが４５°のものを用いた。そして、るつぼ２の内側壁面に窒化珪素粉末を焼結させて離型材Ｒを形成した。そして、このるつぼ２に、原料であるフレーク状または粉状のシリコン５ｋｇを入れ、融解させたときの液面がるつぼ２側壁下部よりも１０〜３０ｍｍ高い位置に来るようにした。そして、るつぼ２底部の温度がシリコンの融点１４１１℃よりも１００℃程度以上高くなるように加熱した。原料が融解して融液Ｍとなった後、融液Ｍの液面温度が融点よりも１０〜４０℃高い状態で保持した。
【００３７】
融液Ｍの液面温度およびるつぼ２の底部温度が安定するまで待機したところで、融液Ｍを観察したところ、その液面には、るつぼ２の一端側から他端側へ流れる対流が生じていた。そこで、種結晶保持機構４のロッド部４１を回転させ、矩形板状の種結晶を、その主面Ｓ１が対流の下流側であるるつぼの他端側の内壁と平行な状態で、内壁から２０ｍｍ対流の上流方向へ離れた位置に移動させ、シリコン融液に浸漬させた。まず、種結晶の先端を溶かしてから一度引き上げ、再び浸漬させた。そして、るつぼの加熱温度をさらに下げ、引き上げ速度０．５〜３．０ｍｍ／ｍｉｎで種結晶を引き上げながら、１０〜６０℃／ｈのペースでるつぼの加熱温度を下げていった。こうして、種結晶の表面からシリコン融液が流れてくる方向に向かって一方向に成長させた。
【００３８】
〔インゴットの評価〕
上記のようにして製造した多結晶シリコンのインゴットを、まず、るつぼに入った状態で上面だけ観察したところ、インゴット上部の最後に成長した部分に生じるシリコン融液の噴き上げが、従来の製造方法で製造した場合と比較して少なくなっていた。
次に、るつぼをサセプタから取り出し、るつぼの外観を観察したところ、るつぼ底部の破損によるシリコン融液の漏れは発生していなかった。
次に、インゴットをるつぼから引き抜いたところ、インゴットをるつぼから容易に離型することができた。また、インゴットの側面を観察したところ、インゴット側面の離型材への食い込みは見られなかった。
これらの結果は、多結晶シリコンが成長する際にシリコン融液にかかる膨張応力が適切に分散されたことを示している。
【００３９】
また、インゴットを垂直方向（るつぼの深さ方向）に沿って切断し、断面の観察をしたところ、縦方向に結晶粒界が揃っていることを確認した。粒径は長軸方向で３０〜４０ｍｍ、短軸方向で１０〜１５ｍｍであった。
また、インゴットを水平方向に沿って切断し、断面の観察をしたところ、インゴット底から１０ｍｍ程度の位置では粒径が１０ｍｍ未満であったものの、種結晶に近い部分では結晶粒界がほとんど見られなかった。
このように、従来の多結晶シリコンの平均粒径が１０ｍｍ未満であることと比べると、種結晶の近傍では粒径が増大し、全体的に結晶品質が向上していることがわかる。
【００４０】
また、インゴットを、種結晶Ｓが埋まっている箇所に最も近い側面から３５ｍｍ，８５ｍｍ，１３５ｍｍの距離でこの側面と並行に切断し、更に、切断された各インゴットの切断部からそれぞれ厚さ０．２ｍｍのウエハーを切り出した。そして、各ウエハーの下端から高さ３０ｍｍまでの部分を切り取った残りの部分から３種類の太陽電池のセルを作成し、そのライフタイムを計測したところ、上記側面から３５ｍｍの部分から作成したセルでは５μｓｅｃ、８５ｍｍの部分から作成したセルでは１８μｓｅｃ、１３５ｍｍの部分から作成したセルでは３μｓｅｃという値が得られた。
【００４１】
ドーパントを含まない従来の多結晶シリコンで作製した太陽電池のセルの平均ライフタイムは、１０μｓｅｃ未満であることが知られている。今回得られた値とこの値とを比較してみると、インゴットの中心部（８５ｍｍ）付近から作成したセルは従来に比べライフタイムが長く、インゴットの側端部（３５ｍｍ，１３５ｍｍ）付近から作成したセルは従来よりもライフタイムが短いことが分かる。なお、３５ｍｍの部分から作成したセルのライフタイムが短いのは、融液Ｍの凝固後に離型材から拡散してきた鉄（Ｆｅ）に汚染されたためであり、１３５ｍｍの部分から作成したセルのライフタイムが更に短いのは、Ｆｅによる汚染に加え、偏析による不純物の影響であると考えられる。セルのライフタイムが長いほど、セルのエネルギー変換効率は高くなることから、このインゴットを用いれば従来よりも高品質な太陽電池のセルを製造することができるといえる。因みに、インゴットの各セルを切り出した断面をそれぞれ観察したところ、ライフタイムが長いセルが切り出されたインゴットの中心部（８５ｍｍ付近）では、従来よりも結晶粒界が少なくなっていた。
【００４２】
以上のように、本実施形態では、板状の種結晶Ｓを融液Ｍに浸漬しているので、チョクラルスキー法やカイロポーラス法で用いられるような従来の角柱状の種結晶と比較して種結晶と融液Ｍとの接触面積が増大し、種結晶Ｓの融液Ｍからの抜熱量が増大する。このため、種結晶Ｓの表面から結晶粒子が成長し易くなり、粒径が大きく結晶粒界の数が少ない高品質なシリコン結晶インゴットを製造することができる。そして、このインゴットから切り出したウエハーを用いれば、従来よりもエネルギー変換効率の高い太陽電池を製造することができる。
また、融液Ｍの対流が偏り、種結晶Ｓを浸漬する液面中央部の温度が最も低くならない場合があっても、板状の種結晶Ｓの厚みを増すことによって種結晶Ｓの抜熱量を大きくし、種結晶Ｓから粒径が大きく結晶粒界の数が少ないシリコン結晶を成長させることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、るつぼ２（容器）を空の状態で所定位置に設置して加熱し、るつぼ２の内側の空間における水平方向の温度分布を測定し、るつぼ２をシリコン融液が保持された状態とした後、シリコン融液液面の、空間における最も温度の低い箇所を通る鉛直線と交差する箇所に板状の種結晶を浸漬しているので、従来方式のように、製造装置における断熱材構造の最適化を行い、シリコン融液の液面中央部の温度が最も低くなるようにしてから種結晶を浸漬する必要がないため、より簡単にかつ低コストにシリコン結晶の成長を行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態では、板状の種結晶Ｓを、最も広い面Ｓ１を鉛直にして融液Ｍに浸漬しているので、シリコン結晶の粒径を融液Ｍの液面に沿う方向に大きくすることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、るつぼ２として、側壁下部２１の内側壁面２１ａが底壁に対し鉛直に形成され、該側壁下部２１の上に連設された側壁中部２２の内側壁面２２ａが側壁下部２１の内側壁面２１ａに対し所定角度で上方に向かって拡がるように傾斜し、該側壁中部２２の上に連接された側壁上部２３の内側壁面２３ａが底壁に対し鉛直に形成されたものを用い、融液Ｍを、その液面がるつぼ２の側壁中部２２または側壁上部２３に達するように充填した状態で板状の種結晶Ｓを浸漬しているので、シリコン結晶の成長時に生じる膨張応力が側壁中部２２の傾斜した内側壁面２２ａに作用し、それによってシリコン結晶が上に持ち上がり、シリコン結晶の下にある融液Ｍにかかる圧縮が緩和されることにより、融液Ｍが離型材Ｒに食い込むことによるるつぼ２の破損、融液Ｍの漏れを防ぐことができる。
【００４６】
また、本実施形態では、るつぼ２を水平方向に沿って切断したときの断面形状は、正方形または長方形であるため、このるつぼ２を用いれば角柱形のインゴットが製造され、このインゴットからは正方形または長方形のウエハーが切り出される。太陽電池のセルは、正方形または長方形をしているので、正方形または長方形のウエハーからは、同面積の円形ウエハーよりも大きいまたは多くのセルを製造することができる。従って、セルを製造する際の歩留まりを高めるとともに、製造コストを下げることができる。
【００４７】
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００４８】
例えば、本実施形態では、種結晶を半円板状または矩形板状のものとしたが、板状であれば円形、多角形その他の形状であってもよい。
また、種結晶の寸法については、浸漬する際にるつぼに納まる範囲であれば、横幅、高さ共に任意であり、厚さも、重くなりすぎて取り扱いに支障が出ない範囲で自由に設定できる。
また、本実施形態では、板状の種結晶の最も広い面を鉛直または水平にした状態で浸漬させることとしたが、シリコン融液と種結晶との接触面積が増えるのであれば、最も広い面を斜めに傾けた状態で浸漬してもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、種結晶保持機構４のロッド部の下端に側方に延びる延出部を設けることで、シリコン融液の液面中心部よりも側方にずれた位置に種結晶を浸漬するようにしたが、ロッド部を水平方向に移動させることが可能となるように構成し、シリコン融液の任意の位置に種結晶を浸漬できるようにしてもよい。なお、この場合、延出部は不要となり、ロッド部の下端に保持部を設ければよい。このようにすれば、より正確にシリコン融液の最も温度の低い箇所に種結晶を浸漬することができる。
また、るつぼの形状も矩形断面に限るものではなく、従来の円形断面のるつぼを用いてもよい。
【００５０】
更に、本実施形態では、空の状態のるつぼ内側の温度分布から種結晶の浸漬箇所を決定したが、融液Ｍの温度を直接計測して決定してもよいし、シリコン融液が入った状態で、その上方の空間の温度を測定するようにしてもよい。
また、本実施形態では、不純物を含まないインゴットを製造したが、ホウ素などの不純物を添加するようにしてもよい。
【００５１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１    製造装置
２    るつぼ（容器）
２１ａ〜２４ａ    側壁下部
２１ｃ〜２４ｃ    側壁中部
２１ｅ〜２４ｅ    側壁上部
３    サセプタ
４    種結晶保持機構
４１  ロッド部
４２  延出部
４３  保持部
５    ヒーター
６    輻射シールド
Ｍ    シリコン融液
Ｒ    離型材
Ｓ    種結晶
Ｓ１  主面
θ    テーパー角
【図１】
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【図２】
2013184841.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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