(57)【要約】UMG-Si原料バッチ中のボロンおよびリンの濃度を決定するための品質管理プロセスを提供する。シリコン検査インゴットは、UMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの方向性凝固によって形成される。シリコン検査インゴットの抵抗率を上部から底部まで測定する。次いで、シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルをマッピングする。シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルから、UMG-Siシリコン原料バッチのボロンおよびリンの濃度を算出する。さらに、UMG-Si原料バッチにそれぞれ対応する複数の検査インゴットを、多るつぼ結晶成長器において同時成長させてもよい。2012525322.tif 000003
2012525322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
UMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの方向性凝固を実施して、シリコン検査インゴットを形成する工程；
該シリコン検査インゴットの上部から底部までの抵抗率を測定する工程；
該シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルをマッピングする工程；
該シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルに基づいて、該UMG-Si原料バッチのリンおよびボロン濃度を算出する工程
を含む、UMG-Si原料の品質を評価するための管理方法。
【請求項２】
前記シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルに基づいて、前記選択されたUMG-Si原料バッチのリンおよびボロン濃度を算出する前記工程が、該シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルから決定される該シリコン検査インゴットの収率に基づいて、該選択されたUMG-Si原料バッチのリンおよびボロン濃度を算出する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項３】
前記選択されたUMG-Si原料バッチのボロンおよびリン濃度に基づいて、インゴット収率を上げかつ適切な抵抗率プロファイルを生成するために使用する共ドーパントを決定する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項４】
IR撮像分析により、前記シリコン検査インゴット中のSiC含有を決定する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項５】
前記シリコン検査インゴットから検査ウエハを生成する工程をさらに含む、請求項1記載の方法。
【請求項６】
前記UMG-Si原料バッチに対する前記シリコン検査インゴットの重量比が、2×10-3を上回る、請求項1記載の方法。
【請求項７】
前記シリコン検査インゴットが約15kgの重さである、請求項1記載の方法。
【請求項８】
方向性凝固を実施する前記工程が、前記シリコン検査インゴットの上部および片側に不純物を濃縮させる双方向性凝固炉を使用する、請求項1記載の方法。
【請求項９】
複数のUMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの同時方向性凝固を単結晶成長器において実施して、複数のシリコン検査インゴットを形成する工程であって、該複数のシリコン検査インゴットがそれぞれ特定のUMG-Si原料バッチに対応している、工程；
該シリコン検査インゴットそれぞれの上部から底部までの抵抗率を測定する工程;
該シリコン検査インゴットそれぞれの抵抗率プロファイルをマッピングする工程;
該対応するシリコン検査インゴットそれぞれの抵抗率プロファイルに基づいて、該UMG-Si原料バッチそれぞれのリンおよびボロン濃度を算出する工程
を含む、UMG-Si原料の品質を評価するための管理方法。
【請求項１０】
複数のUMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの同時方向性凝固を単結晶成長器において実施して、それぞれ特定のUMG-Si原料バッチに対応している複数のシリコン検査インゴットを形成する前記工程が、
複数のUMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの同時方向性凝固を、単一の多るつぼ結晶成長器において実施して、それぞれ特定のUMG-Si原料バッチに対応する複数のシリコン検査インゴットを形成する工程
をさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項１１】
対応するシリコン検査インゴットそれぞれの抵抗率プロファイルに基づいて、UMG-Si原料バッチそれぞれのリンおよびボロン濃度を算出する前記工程が、
該シリコン検査インゴットそれぞれの抵抗率プロファイルから決定されるシリコン検査インゴットそれぞれの収率に基づいて、該選択されたUMG-Si原料バッチそれぞれのリンおよびボロン濃度を算出する工程
をさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項１２】
前記選択されたUMG-Si原料バッチのボロンおよびリン濃度に基づいて、インゴット収率を上げかつ適切な抵抗率プロファイルを生成するために使用する共ドーパントを決定する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項１３】
IR撮像分析により、前記シリコン検査インゴット中のSiC含有を決定する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項１４】
前記シリコン検査インゴットのそれぞれから検査ウエハを生成する工程をさらに含む、請求項9記載の方法。
【請求項１５】
前記対応するUMG-Si原料バッチそれぞれに対する前記シリコン検査インゴットそれぞれの重量比が、2×10-3を上回る、請求項9記載の方法。
【請求項１６】
前記シリコン検査インゴットがそれぞれ約15kgの重さである、請求項9記載の方法。
【請求項１７】
方向性凝固を実施する前記工程が、前記シリコン検査インゴットそれぞれの上部および片側に不純物を濃縮させる双方向性凝固炉を使用する、請求項9記載の方法。
【請求項１８】
複数のUMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの同時方向性凝固を単結晶成長器において実施して、それぞれ特定のUMG-Si原料バッチに対応している複数のシリコン検査インゴットを形成する工程が、
複数のUMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの同時方向性凝固を、N×Nるつぼ構成を有する単一の多るつぼ結晶成長器において実施して、それぞれ特定のUMG-Si原料バッチに対応する複数のシリコン検査インゴットを形成する工程
をさらに含む、請求項9記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2010年2月10日に出願されたKamel Ounadjelaの係属中の米国特許出願第12/703,727号「UMG-Si材料精製のための管理プロセス(PROCESS CONTROL FOR UMG-Si MATERIAL PURIFICATION)」の優先権を主張し、かつその一部継続出願である。該米国特許出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられ、あらゆる目的のために本米国一般特許出願の一部とする。
【０００２】
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる2009年4月29日に出願された仮特許出願第61/173,853号の恩典を主張する。
【０００３】
分野
本発明は、概して、シリコン処理の分野に関し、特にアップグレードされた冶金級シリコンの精製に関する。
【背景技術】
【０００４】
発明の背景
太陽光発電(PV)産業は、急速に成長しており、集積回路(IC)用途としてのより従来の使用を超えるシリコンの消費量増加に関与している。今日、太陽電池産業におけるシリコンのニーズは、IC産業におけるシリコンのニーズに匹敵し始めている。現在の製造技術では、集積回路(IC)および太陽電池産業の両方とも、出発材料として、純化かつ精製されたシリコン原料を必要としている。
【０００５】
太陽電池材料の選択肢は、単結晶の電子グレード(EG)シリコンから、比較的低純度の冶金級(MG)シリコンに及ぶ。EGシリコンは、理論的限界に近い効率を有するが、法外な価格の太陽電池をもたらす。他方で、MGシリコンは、典型的に、実用的な太陽電池を作れない。多結晶シリコンを使用した初期の太陽電池は、約6％と達成効率が非常に低かった。これに関連して、効率とは、収集され電流に変換されるエネルギーに対する、電池に入射するエネルギーの割合の測定値である。しかし、太陽電池処理に有用であり得るその他の半導体材料があるかもしれない。しかし、実際には、ほぼ90％の市販の太陽電池が結晶シリコンで作られている。
【０００６】
効率が24％である現在利用可能な市販の電池は、より高純度な材料、および改善された処理技術により可能にされている。これらの工学技術の進歩により、業界は、31％の単一接合シリコン太陽電池効率の理論的限界に近づくことができた。
【０００７】
高純度のシリコン原料を獲得し使用するための高コストおよび複雑な処理要件、そしてIC産業の競争的な需要のために、太陽電池に有用なシリコンのニーズは、公知の処理技術を用いているEG、MG、または他のシリコン製造者のいずれによっても満たされそうにない。この不十分な状況が続く限り、大規模な電気エネルギー産生用の経済的な太陽電池は達成できないかもしれない。
【０００８】
いくつかの因子によって、太陽電池加工に有用であり得るシリコン原材料の品質が決まる。シリコン原料の品質は、材料中に存在する不純物の量によって変動することが多い。シリコン原料品質を改善するために制御かつ除去されるべき主な元素は、ボロン(B)、リン(P)、およびアルミニウム(Al)である。なぜなら、これらはシリコンの抵抗率に有意に影響を及ぼすからである。アップグレードされた冶金(UM)シリコンに基づくシリコン原材料は、ボロンおよびリンを同様の量で含むことが非常に多い。化学分析を使用して特定の元素の濃度を決定できるが、このアプローチが必要とするサンプルサイズは小さ過ぎ(数グラム)、変動的な結果を出すことが多い。例えば、存在するボロンの量は、重量百万分率(parts per million by weight)(ppmw)で0.5〜1ppmwにわたり得る。さらに、異なるバッチに対する化学分析は、一貫性のあるボロンおよびリン濃度を提供したが、電気パラメータには極端な変動があった。これらの信頼性のない結果は、比較的少ない不純物がもたらす大きな影響によるものかもしれない。
【０００９】
抵抗率は、太陽電池を製造するのに使用されるシリコン(Si)の最も重要な特性の1つである。これは、太陽電池効率が抵抗率に敏感に依存するからである。最先端の太陽電池技術は、典型的に、0.5Ωcm〜5.0Ωcmの範囲の抵抗値を必要とする。現在生成されているUMシリコンに基づく原材料は、太陽電池製造業者によって典型的に指定される0.5Ωcmの最小抵抗率を下回るベース抵抗を伴うことが多い。これには単純な理由がある：すなわち、UM-Siをアップグレードするためのプロセスが高価であるのは、ドーパント原子BおよびPを含む非金属を取り除くことに主に関係している。コストを抑えるために、このような処理を最小限にする、すなわち、UM-Siは、典型的に、高濃度のドーパント原子を含んだままであるという傾向が明らかである。
【００１０】
方向性凝固中の分離による精製は、アップグレードされた冶金シリコンを得るためのプロセスにおいて使用されることが多い。不純物除去法は、得られるシリコンインゴットの最後の部分(多くの場合、インゴットの上部)にB、P、Al、C、および遷移金属等の不純物を濃縮して結晶化させる方向性凝固を含む。完全なケースにおいては、方向性凝固プロセス中の結晶化は上部から底部まで均一であり、固液界面はインゴット全体にわたって平面であるはずである。これにより、インゴットの上部から底部まで一貫性のある不純物濃度プロファイルが得られ、インゴットの上部を除去するようなインゴットを横断する1つの平面切断によりインゴット中の不純物が除去される。
【００１１】
しかし、方向性凝固プロセスの間の温度場を制御することは難しく、シリコンインゴットにおいて結晶の不均一な成長を生じることが多い。これにより、インゴットの上部から底部(すなわち、インゴットの一方の端から他方の端)まで一様でない不純物濃度プロファイルが生じる。この影響は、大量のシリコンの大量生産においてはさらに増幅される。インゴットの異なる領域が異なる不純物プロファイル、つまり異なる抵抗率プロファイルを有するため、インゴットを横断する平面切断は、濃縮された不純物の大部分を除去しながら、有効なシリコン収率を最大限に引き出せない。
【００１２】
さらに、受入UMG-Si原料品質のばらつきにより、UMG-Si材料品質を検査および分析するための管理プロセスが必要となる。典型的に、ボロン(B)およびリン(P)等の元素は、Si原料品質を低下させ得る。特定の濃度限界内に管理されない場合、インゴット抵抗率の相当大きいばらつきを生じる。炭素、酸素、窒素等の(ただしこれらに限定されない)他の元素、これらの元素を有する化合物、特にSiCも、インゴット品質を低下させうる。
【００１３】
上記および同様の不純物の大きな影響により、原材料を分析および検査して、適切な品質を確保しなければならない。受入原料の不純物および抵抗率のバッチ間におけるばらつきは、インゴットの底部から上部までの抵抗率および収率(n型部分とp型部分の比)に影響を与える。
【００１４】
UMG-Si原料の供給元は、取引先に出荷する材料の品質管理を徹底的に確立していないかもしれない。多くの場合、典型的な化学分析は、比較的少ない不純物が大きな影響をもたらすため、信頼性のない結果を生じる。さらに、供給元は、原料バッチ中のボロンおよびリン濃度のばらつきに関して小さ過ぎるサンプルサイズで検査することが多い。その上、多重の測定エラーにより測定結果が不確かになる。異なるバッチに対する化学分析において、電気パラメータにばらつきがあるにも関わらず同じボロンおよびリン含量が生じた場合に、これらの測定エラーの1つが表示される。複数のUMG-Si原料バッチに頼ってシリコンインゴットを鋳造する会社にとっては、バッチ間におけるこれらのばらつきは容認できないかもしれない。
【発明の概要】
【００１５】
概要
従って、信頼性のある不純物データ/測定を提供する、UMG-Si原材料のための品質管理プロセスのニーズが生じている。この方法は、正確でなければならず、かつサンプル検査インゴット由来の原料バッチについて不純物データを提供しなければならない。UMG-Si原材料バッチにおける不純物濃度プロファイルをより正確に特定して、提供者が所望の不純物濃度閾値を満たすUMG-Siを確実に生成し、太陽電池製造業者がシリコンウエハ収率を改善し得るようにする、というさらなるニーズが存在する。
【００１６】
良好なインゴット収率、ならびに改善された機械的および電気的特性を有する材料(後者は太陽電池品質に関する)を得るために、UMG基質多結晶シリコン材料の不純物濃度を決定する簡単なプロセスについてさらにニーズが存在する。このようなプロセスは、例えば、CZ技術またはFZ技術を適用して、単結晶シリコン材料を結晶化するために部分的にまたは単独で使用されるより上級の非UMG原料シリコンに簡単に転用可能でなければならない。
【００１７】
開示の主題によれば、先に開発されたUMG-Si不純物濃度決定法に伴う不都合および問題を実質的に無くすか減らす、バッチUMG-Si原料中のボロンおよびリンの濃度を決定する方法が提供される。
【００１８】
本開示は、バッチUMG-Si原料中のボロンおよびリンの濃度を決定する方法を提供する。シリコン検査インゴットは、UMG-Si原料バッチから得た溶融UMG-Siの方向性凝固により形成される。シリコン検査インゴットの抵抗率は、上部から底部まで測定される。次いで、シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルをマッピングする。シリコン検査インゴットの抵抗率プロファイルから、UMG-Siシリコン原料バッチのボロンおよびリンの濃度を算出する。
【００１９】
開示の主題の一局面によれば、異なるUMG-Si原料バッチから、複数のシリコン検査インゴットを同時に成長させる。
【００２０】
本開示の技術的利点としては、シリコン不純物濃度についてのより正確なデータが挙げられ、これは有用なシリコンのより高い収率、UMG-Siプロセス管理改善、ならびにUMG-Siの製造効率およびコスト改善を得ることを可能にする。検査インゴットの抵抗率プロファイルに基づいてUMG-Si原料バッチの不純物濃度を算出することのさらなる技術的利点としては、より一貫性があり、正確な不純物濃度測定が挙げられる。
【００２１】
開示の主題、および追加の新規特徴は、本明細書で提供する説明から明らかになろう。本概要の意図は、主張する主題の包括的な説明となるものではなく、むしろ主題の機能性の一部の簡単な概説を提供するものである。本発明のその他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明から当業者には明らかとなろう。このような追加のシステム、方法、特徴、および利点は全て、本明細書に含まれ、添付の特許請求の範囲内にあることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
開示の主題およびその利点をより完全に理解するために、添付の図面(図中、同様の符番は同様の特徴を示す)と併せて以下の説明について言及する。
【００２３】
【図１】図1(従来技術)は、シリコン中のボロン、リン、およびアルミニウム含量を減らすためのプロセスフローである。
【図２】図2は、UMG原料の多様なバッチの実際に測定された不純物を示すグラフである。
【図３】図3は、UMG-Siインゴット中の不純物ボロンおよびリンの濃度プロファイルを示すグラフである。
【図４】図4は、図3で測定されたUMG-Siインゴットの抵抗率プロファイル(算出された抵抗率と測定された抵抗率の比)を示すグラフである。
【図５】図5は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。
【図６】図6は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を、開示の主題に従って作成したトリミングラインと共に示す。
【図７】図7は、シリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。
【図８】図8は、UMG-Siインゴット中の不純物ボロン、リンおよびアルミニウムの濃度プロファイルを示すグラフである。
【図９】図9は、図8に示すUMG-Siインゴットのアルミニウム濃度の断面図である。
【図１０】図10は、図8に示すUMG-Siインゴットのリン濃度の断面図である。
【図１１】図11は、図8に示すUMG-Siインゴットのボロン濃度の断面図である。
【図１２】図12は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固の側面を示すプロセスフローである。
【図１３】図13は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固の上面を示すプロセスフローである。
【図１４】図14は、双方向性凝固炉で作製されたシリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。
【図１５】図15は、複数の不純物濃度についての抵抗率プロファイルおよびトリミングラインを示すグラフである。
【図１６】図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。
【図１７】図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。
【図１８】図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。
【図１９】図19は、図16〜18におけるシリコンインゴットの抵抗率プロファイル(凝固画分についてohm-cmで示す)を示すグラフである。
【図２０】図20は、図19の抵抗率プロファイルに対応する不純物濃度プロファイルを表す。
【図２１】図21は、ボロン、リン、およびアルミニウムを減らすための従来技術プロセスフローを示すグラフィック描写である。
【図２２】図22および23は、UMG-Si原料の多様なバッチの実際に測定された抵抗率を示すグラフである。
【図２３】図22および23は、UMG-Si原料の多様なバッチの実際に測定された抵抗率を示すグラフである。
【図２４】図24は、同時方向性凝固運転による例示の検査インゴットについてのBおよびPのICPMSデータを表示する。
【図２５】図25は、図24におけるバッチ1について測定された抵抗率データを示すグラフである。
【図２６】図26は、図24におけるバッチ2について測定された抵抗率データを示すグラフである。
【図２７】図27は、図24におけるバッチ3について測定された抵抗率データを示すグラフである。
【図２８】図28は、図24におけるバッチ4について測定された抵抗率データを示すグラフである。
【図２９】図29は、鋳造されたインゴットの写真である。
【図３０】図30は、開示の主題による結晶成長器るつぼの配置の態様を図示している。
【図３１】図31は、単一るつぼの場合のサーマル配置から、一回の運転当たり4つのるつぼの場合のサーマル配置への改変を示す写真である。
【図３２】図32は、実際のUMG-Siインゴットにおいて見つかった不純物を示す写真例である。
【図３３】図33は、開示するUMG-Si管理プロセスの一態様の主な工程を示すプロセスフローである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
具体的な態様の詳細な説明
以下の説明は、限定の意味で取られるべきでなく、本開示の一般的な原理を説明する目的のためのものである。本開示の範囲は、請求の範囲を参照することで判断されるべきである。アルミニウム富化UMGシリコンの精製を参照して説明しているが、当業者は本明細書で考察する原理を任意のアップグレードされた冶金級材料に対して適用できるであろう。
【００２５】
開示の主題の好適な態様を、図面に示しており、同様の符番が、複数の図面において同様の部分および対応する部分を指すために使用されている。
【００２６】
図1は、シリコン中のボロン、リン、およびアルミニウム含量を低減するための従来技術プロセスフローを示す。工程2において、石英および石炭等の純原材料を選択して、ボロン含量の低いMG-Siを生成する。その後、工程4において、さらにMG-Si純化によりアルミニウム含量を低減する。さらに、例えば、酸素燃料バーナーを有する炉において、ボロン含量をさらに低減することができ、これが最終的にUMG-Siとなる。次に、ボロン、リン、およびアルミニウム等の不純物をさらに低減するために、シリコン原料が出荷可能状態になるまで、典型的にボロン濃度が特定の閾値濃度を下回る時点まで、方向性凝固系を介してUMG-Siを処理することが多い。第1のDSSパス6および第2のDSSパス8の両方において、インゴットの最大不純物濃度を有する部分(通常、上部部分)が切除されて、より純度の高いシリコンが生成される。第1のDSSパス8は、例えば、要求されている0.5重量百万分率よりも多い不純物を有するシリコンを産生し、第2のDSSパス10は要求されている0.5重量百万分率を下回る不純物を有するシリコンを産生し得る。
【００２７】
無駄を最小限にしながらより純度の高いシリコンを提供するためには、より効果的な不純物管理が必要である。第1のDSSパス8の後、かつトリミングにより不純物を除去する前のシリコンインゴットの抵抗率測定は、シリコン収率を実質的に改善するであろう。同様に、第2のDSSパス10の後、かつ第2のトリミングにより不純物を除去する前のシリコンインゴットの抵抗率測定は、最終的なシリコン製品のシリコン収率を実質的に改善するであろう。
【００２８】
図2は、UMG原料の多様なバッチ中の選択された元素の実際に測定した濃度を重量百万分率で示すグラフである。異なる原料バッチ間における元素濃度の大きな差異に留意されたい。このばらつきは、主に、石英および石炭等の、UMG-Si原料の供給材料によるものである。不純物濃度の小さなばらつきが、インゴットの底部から上部までの抵抗率およびインゴット収率(n型部分とp型部分の比)のバッチ間でのばらつきに有意に影響しうる。アルミニウム40、ボロン42、およびリン44は、材料の抵抗率に有意に影響を及ぼすため、制御される主な元素である。
【００２９】
図3は、UMG-Siインゴット中のドーパントであるボロン50およびリン52の濃度プロファイル(凝固画分にわたる1立方センチメートル当たりの原子数)を示すグラフである。図3において、ボロン50の初期濃度は0.48重量百万分率であり、リン52の初期濃度は1.5重量百万分率である。凝固画分(すなわち、インゴット高さ)に沿ったボロンおよびリンの濃度のばらつきは、元素固有の分離挙動によって生じる方向性凝固の間の一様でない分離を反映している。インゴットにおけるボロンおよびリンの一様でない分離は、およそ80％のインゴット高さにおいて、p型(ボロン、アルミニウム)からn型(リン)への導電型の変化を生じる。この導電型の変化は、B/P比54(図3においてB-P差の絶対値として示す)により示される。つまり、B/P比54のようなB/P比は、p型材料の収率を制限する。アルミニウム濃度が比較的高いUMG原材料の場合、アルミニウムもまた、それぞれの抵抗率プロファイルをシフトさせることにより、収率に影響を及ぼし得る。
【００３０】
図4は、図3に示すUMG-Siインゴットの抵抗率プロファイル(算出された抵抗率62および測定された抵抗率60)を示すグラフである。抵抗率は、ohm-センチメートルを単位として測定し、インゴット高さは底部から上部へのパーセント(凝固画分gに変換)として測定する。抵抗率は、ボロンおよびリンの濃度の絶対差(図3においてabs(B-P)54と示す)である、材料の正味ドーピング(net-doping)から決定される。抵抗率プロファイルは、インゴットにおいて、図3に示すようなおよそ80％のインゴット高さにおけるボロンおよびリンの分離特性によって生じる導電型変化を反映することに留意されたい。
【００３１】
図5は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。不純物ライン70は、Al富化UMG-Si原料に基づいて、典型的なインゴットにおける測定された導電型変化を映し出している。このインゴット断面図において、(不純物ライン70によって示される)インゴット収率ラインの激しいばらつきが見られ、インゴットの左側72において90％に近いインゴット収率、およびインゴットの右側74において60％に近いインゴット収率が示される。インゴットにわたる激しい収率のばらつきは、インゴットにわたる凝固中の不均一な熱条件を反映しており、これはドーパント元素B、P、およびAlについて不均一な分離条件をもたらす。
【００３２】
方向性凝固は、典型的に、インゴットの上部において不純物を濃縮し、その後最も多く不純物を有する上層が除去されて、より純度の高い下層を残してこれがさらに処理される。図5に示すように、層78は層77よりも不純物が少ない。しかし、UMG-Siインゴットは、方向性凝固後に平坦な平面不純物プロファイルを有することはめったにない。平坦なトリミングライン76は、インゴットの上部で濃縮された不純物を除去するために典型的に使用される平坦切除ラインを示す。しかし、平坦な切断は、材料中の不純物の一様でない不均一な分布(不純物ライン70で示される)に乗じないため、非効率かつ無駄なUMG-Si処理に通じる。
【００３３】
図6は、開示の主題に従ってトリミングラインを作成した、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。ボロン、リン、およびアルミニウム等の不純物はシリコン中で活性なドーピングであり、インゴットブリックの抵抗率に影響を及ぼす。インゴット中のドーパントおよび金属性不純物の絶対濃度をまとめて低減するために、抵抗率測定は、インゴットの汚染部分のどこを除去すべきかの正確な決定を提供する。
【００３４】
最も低い不純物濃度は、クールゾーン80(最初に凝固する領域)で見られる。不純物の最大濃度は、ホットゾーン82(最後に凝固する領域)で見られる。不純物の分離は、方向性凝固中に溶融状態から最後に凝固するインゴット部分に濃縮される。このため、不純物プロファイルがインゴット中の領域ごとに異なる。インゴットブリック86およびインゴットブリック94において不純物レベルが異なることに留意されたい。各ブリックに対してトリミングラインをカスタマイズして不純物除去を管理するために、インゴットをブリック状に切る。方向性凝固後に、インゴットブリック86、88、90、92および94が切られた。切断ライン84は、画像においてブリック区切りを反映している。
【００３５】
ブリックを切断した後、底部から上部へのインゴットの抵抗率を測定し、これらの算出値をグラフまたは3D抵抗率マップ上にマッピングすることにより、インゴットの抵抗率プロファイルを作成する。インゴットの抵抗率測定は、インゴットをブリック状に切断する前に行ってもよい。さらに、ブリックの大きさは、シリコンインゴットの大きさ、シリコンインゴットの不純物濃度、正確な抵抗率プロファイルを得るために必要な大きさ、および製造効率要件を含む(ただしこれらに限定されない)多くの因子に応じてカスタマイズできる。
【００３６】
図6において、不純物ラインは、インゴット中の閾値要求レベルにある不純物濃度を反映する。標準切断は、不純物除去とシリコン材料収率とのバランスを取ることを試みた平坦なトリミングラインを示す。管理された切断は、各ブリックについて、そのブリックの抵抗率プロファイルに基づいてカスタマイズされたトリミングラインを示す。管理された切断ラインは、各個別のブリックについてそのブリックの抵抗率プロファイルに基づいて算出されたトリミングラインを規定する。従って、シリコン材料収率を保ちながら、濃縮された不純物を含む部分のみが除去される。これにより、有効なシリコンを犠牲にすることなく、不純物の最適な除去が可能になる。この切断は、各ブリックの上部から底部までの抵抗率を測定することによって算出される。
【００３７】
開示のプロセスに従って管理された切断を行わない従来の標準切断は、ブリック94のインゴット領域のようにインゴット中に多くの不純物を残すため、別の方向性凝固を行って、そのようなインゴットに由来する材料をさらに精製する必要がある。
【００３８】
図7は、シリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。凝固を管理するのは難しいため、インゴット結晶化中の固液界面は平面ではなく、図7に示すように不均一な分離層を生じる。方向性凝固の後、インゴットの上部で不純物が濃縮される。しかし凝固層90、92、および94は、有意に一様ではなく、つまり凝固層は、平面ではなく、むしろインゴット中で上下垂直に変化し、インゴットにわたり厚みが変化する。このため、インゴット中の領域間の不純物プロファイルが異なり、これによって一様でないシリコンインゴット不純物プロファイルが生じる。一様でない凝固層は、高収率シリコンを犠牲にすることなく、またはインゴット中に余分に不純物を残すことなく、濃縮された不純物を容易かつ効率的に除去することを難しくする。
【００３９】
図8は、UMG材料インゴット中の、ドーパントであるボロン100、リン102、およびアルミニウム106の濃度プロファイル(インゴット高さパーセントにわたる1立方センチメートル当たりの原子数で、凝固画分gに変換)を示すグラフである。図8において、ボロンの初期濃度は0.411ppmw、リンの初期濃度は1.3ppmw、およびアルミニウムの初期濃度は23.08ppmwである。方向性凝固中のボロン、リン、およびアルミニウムの異なる分離係数により、約87％のインゴット高さにおいて導電型の変化がある。この変化は、図8において104として示す、ボロンおよびリンの絶対濃度にアルミニウム濃度を加算したものabs(B-P+Al)に反映され、これはp型材料収率の限界を規定する。
【００４０】
図9は、図8に示すUMG-Siインゴットのアルミニウム濃度プロファイルの断面図である。ここでも、方向性凝固プロセス中の温度場の管理が困難なために、結晶化層は一様でない産出および一様でない不純物濃度プロファイルを生じる。アルミニウムの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン110で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。これは、インゴット全体にわたってアルミニウムおよび他の不純物を効率的に除去することを困難にする。
【００４１】
図10は、図8に示すUMG-Siインゴットのリン濃度プロファイルの断面図である。リンの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン112で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。リンの濃度は、インゴットの特定の部分において有意に高く、インゴット全体にわたって1つの平坦なトリミングラインによってリン不純物を最適に除去することを困難にする。
【００４２】
図11は、図8に示すUMG-Siインゴットのボロン濃度プロファイルの断面図である。ボロンの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン114で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。ボロンの濃度は、インゴットの特定の部分で有意により高く、インゴット全体にわたって1つの平坦トリミングラインによってリン不純物を最適に除去することを困難にする。
【００４３】
図12は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固化の側面図を示すプロセスフローである。双方向性凝固炉とは、上部および側面ヒーター(多くの場合、インゴットの上部を温める1つのヒーター、およびインゴットの側面を温める複数のヒーターが配置される)を備え、得られるシリコンインゴットの上部および片側に不純物を濃縮する凝固炉である。図12の双方向性凝固系は、上部ヒーター122、ならびに側面ヒーター120および124を利用して、上部ヒーター122に近接するインゴットの上部、ならびに側面ヒーター120が配置されるインゴット側面の両方において不純物を濃縮する。液体シリコンは、濃縮された不純物を含み、汚染領域としても知られる。1500℃の炉温度において、シリコンは完全に液体である。工程126では、炉温度は1450℃まで下げられ、溶融シリコンは部分的に凝固化し、シリコン溶解物の下のインゴットの底部において凝固したシリコン層が形成される。上部ヒーター122に近接するシリコンは溶融したままで、上部ヒーター122から離れたシリコンは結晶化し、不純物は溶融シリコンに濃縮される。工程126の間、側面ヒーター120および側面ヒーター124は、一定の温度に設定され、凝固するシリコンの垂直な勾配が形成され、シリコンの水平方向の凝固勾配は一定のままである。
【００４４】
工程128では、1420℃の炉温度において、シリコンはほとんど結晶化されており、上部ヒーター122および側面ヒーター120に近接する領域のみが溶融しており、残りのシリコンは結晶化している。側面ヒーター124および上部ヒーター122が冷まされることにより側面ヒーター124および上部ヒーター122に近接するシリコンが結晶化され、溶融シリコンは側面ヒーター120付近に移る。加熱された側面ヒーター120に近接するインゴットの上部角にある残りの液体シリコンに不純物が濃縮される。従って、上部ヒーター122および側面ヒーター120に最も近い溶融領域にて不純物は濃縮される。ここが、完全に結晶化されたシリコンインゴットを精製するために除去される領域である。双方向性凝固炉は、1つは中心、4つが角にある5つの穴が上部に開けられており、凝固するシリコン部分(単純な石英ロッドを使用することが多い)の高さを管理および測定できる。工程130では、1400℃の炉温度で、側面ヒーター120は冷やされ、シリコンインゴットが完全に凝固する。不純物は、上部ヒーター122および側面ヒーター120に最も近い結晶化領域で濃縮される。ここで、インゴットは、ブリックに分割可能となり、不純物が除去される。双方向性凝固炉は、ヒーター付近のホットゾーンを使用して、不純物を濃縮して、シリコンが完全に結晶化した後に効率的に除去する。
【００４５】
進行中、インゴット中の溶融シリコンが凝固し始めると、垂直なシリコン凝固勾配が作られる。インゴットの底部のシリコンが冷却すると共に、凝固化し、不純物(ボロン、リン、およびアルミニウム)が残りの溶融シリコンに移動する。固液界面が導電型の転換領域(通常、80％のインゴット凝固の範囲)に到達する前に、側面ヒーターの温度を調節して、水平なシリコン凝固化勾配を作り、これにより残りの溶融シリコンをインゴットの片側(より温かい側面ヒーターに近い側)に向かわせる。
【００４６】
図13は、双方向性凝固炉(上部ヒーターは図示せず)におけるシリコン材料の凝固の上面を示すプロセスフローである。側面ヒーター132および側面ヒーター134は、共に調節されて水平なシリコン凝固勾配を作り、側面ヒーター132付近に不純物を濃縮する。最初に、1500℃の炉温度にて、るつぼ中のシリコン全体は溶融している。工程136では、炉温度は1450℃に調節され、るつぼの底部の溶融シリコンが凝固し始め(双方向性凝固炉におけるシリコン凝固の側面については図12を参照)、溶融シリコンは上部ヒーター付近に移動する。
【００４７】
工程138では、1420℃の炉温度にて、側面ヒーター132が加熱され、側面ヒーター134が冷却され、水平なシリコン凝固勾配が作られる。側面ヒーター134付近のシリコンが冷やされて凝固化すると、溶融シリコンは側面ヒーター132付近に移動する。不純物は、側面ヒーター132付近の溶融シリコンに集積される。工程140で炉温度を1400℃に下げると、濃縮された不純物レベルを有する残りの溶融シリコンが凝固し、側面ヒーター132付近のインゴット領域に不純物が捕捉される。
【００４８】
図14は、双方向性凝固炉において作製されたシリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。図中、インゴット結晶化の間の固液界面は実質的に平面なままであり、実質的に均一かつ平面の凝固層を生じる。従って、上部から底部までの不純物プロファイルは、シリコンインゴットのどの領域においても実質的に同じである。図7の層90、92、および94とは異なり、凝固層150、152、および154は、インゴットにわたり平面である。さらに、上から見ると、汚染凝固層は、図13に示すようなもののように、双方向性凝固炉の使用により側面156においてさらに濃縮されている。この構造により、開示のプロセスによって簡単にトリミングできる領域における不純物の濃縮が可能になる。双方向性凝固炉は、長方形、非二次(non-quadratic)断面のるつぼを使用して運転されることが好ましく、るつぼの短い方の側面が側面ヒーターに面している。
【００４９】
図15は、複数の不純物濃度についての、抵抗率プロファイル(凝固画分gについてohm-cmでグラフ化)、およびトリミングラインを示すグラフである。抵抗率プロファイルは、不純物濃度に強く依存する。これは、抵抗率プロファイル上の各点での不純物濃度の決定を可能にする。トリミングライン166、168、および170は、インゴットの抵抗率プロファイルに依存する。トリミングラインは、最終製品について許容される閾値シリコン不純物濃度に基づいて決定され得る。
【００５０】
インゴット抵抗率プロファイル160は、0.45ppmwのボロン濃度、1.59ppmwのリン濃度、および0.087ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン166は、抵抗率プロファイル160に対応し、抵抗率プロファイル160について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。
【００５１】
インゴット抵抗率プロファイル162は、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン168は、抵抗率プロファイル162に対応し、抵抗率プロファイル162について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。
【００５２】
インゴット抵抗率プロファイル164は、0.45ppmwのボロン濃度、1.59ppmwのリン濃度、および0.119ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン170は、抵抗率プロファイル164に対応し、抵抗率プロファイル164について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。
【００５３】
図16〜18は、インゴットの抵抗率プロファイルと、同インゴットの不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。管理されたトリミングラインは、特定の不純物の所望の閾値濃度に応じて算出され得る。図16〜18は、0.5ppmwのアルミニウム濃度に基づいてトリミングラインを示しているが、トリミングラインは、任意の濃度の多くの様々な不純物(ボロンまたはリン等)に基づき得る。
【００５４】
図16は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル182(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン186、リン184、およびアルミニウム188の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン180は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、84.5％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン180より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン180より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。
【００５５】
図17は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.117ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル202(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン208、リン204、およびアルミニウム206の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン200は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、77％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン200より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン200より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。
【００５６】
図18は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.8ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル224(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン228、リン226、およびアルミニウム230の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン222は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、84.5％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン222より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン222より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。トリミングライン220も、インゴットがp型からn型に移るP/N転換における抵抗率プロファイルから、83％のインゴット高さであると算出された。このトリミングラインは、インゴットから得られるp型シリコン材料の最も高い収率を保つ最適切断ラインを反映する。
【００５７】
図19は、図16〜18のシリコンインゴットの抵抗率プロファイル(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示すグラフである。抵抗率プロファイル182は、図16のインゴットの抵抗率、および84.5％のインゴット高さにおいて0.5ppmwのアルミニウム濃度について算出されたトリミングライン180を示す。抵抗率プロファイル102は、図17のインゴットの抵抗率、および77％のインゴット高さにおいて0.5ppmwのアルミニウム濃度について算出されたトリミングライン200を示す。抵抗率プロファイル224は、図18のインゴットの抵抗率、および83.5％のインゴット高さにおいてP/N転換について算出されたトリミングライン220を示す。
【００５８】
図20は、図19の抵抗率プロファイル182、202、および224に対応する、ボロン、リン、およびアルミニウムの濃度プロファイルを表す。
【００５９】
図21〜33は、管理プロセス、およびUMG-Si原料品質を評価するための方法に関する。複数のUMG-Si原料バッチから作られた結晶化インゴット検査サンプルの抵抗率プロファイルを分析することによって、これらのバッチのボロンおよびリン含量が決定され得る(つまり、UMG-Si原料の品質が決定できる)。さらに、SiC含有等の(ただし、これに限定されない)他の不純物も検出され得る。
【００６０】
図21は、誘導結合プラズマ質量分析(ICPMS)プロセスにより、シリコン中のボロン、リン、およびアルミニウム含量を低減するための従来技術プロセスフローを示すグラフィック描写である。工程210では、石英および石炭等の純原材料を選択して、ボロン含量の低いMG-Siを作製する。次に、工程212では、さらにMG-Si純化によってアルミニウム含量を低減する。その上、ボロン含量を、例えば、酸素燃料バーナーを有する炉においてさらに低減することができ、これが最終的にUMG-Siとなる。次に、ボロン、リン、およびアルミニウム等の不純物をさらに低減するために、ICPMS(工程214として示す)を適用してUMG-Siの化学分析を行う。分析によって、ボロン濃度が特定の閾値濃度(1ppmwとして示す)を下回る結果が出た場合、原料は結晶化の準備が整ったと認識され、UMG-Si最終製品216として示すようにインゴットを鋳造するために出荷される。しかし、ボロン濃度が特定の閾値濃度(1ppmwとして示す)を上回って測定された場合、材料が、最小ボロン閾値濃度レベルを満たす適切なUMG-Si製品となるまで、純化プロセスを繰り返し得る。重要なことに、リン等の他の不純物について、ボロンの閾値濃度レベル以外のレベルが使用され得る。
【００６１】
無駄を最小にしながら、より純度の高いシリコンを提供するためには、より効果的な不純物管理が必要である。開示の主題は、上記化学分析(ICPMS)の代替案を提供し、代わりに、UMG-Si原料品質を管理するために別のプロセスおよび方法を導入する。開示の管理方法は、原料が出荷される前に、UMG-Siの検査インゴットの抵抗率プロファイルを分析する。この管理方法は、管理するべき原料バッチから作られた適度に大きい検査インゴットの電気データを使用する。具体的には、検査インゴットの底部から上部までの抵抗率プロファイルの測定が、UMG-Si原料バッチを製品として出荷する基準となる。
【００６２】
開示プロセスの一部として、図12および13に示す双方向性凝固炉のように、上部および底部ヒーター、または上部ヒーターのみを含み得るホットゾーンを有する特別に設計された結晶成長器を使用して、複数の検査インゴットを同時に検査する方法が提供される。従って、N×Nの個数のるつぼを有する結晶成長器は、N×Nの検査インゴットを成長させ、検査し得る。この手順は、原料品質の管理方法をさらに改善する。
【００６３】
図22および23は、UMG-Si原料の多様なバッチの実際に測定された抵抗率を示すグラフである。図23のバッチに対して、図22のバッチから得たUMG-Si原料の抵抗率(つまり収率)の大きなばらつきに留意されたい。図22および23のグラフは、同じ原料由来の2つのバッチから成長した2つのインゴットの抵抗率プロファイル(底部から上部までのインゴット高さについてohm-cmで表示)を示す。抵抗率プロファイルは、インゴット中のボロンおよびリンの分離特性により生じる導電型の変化を反映することに留意されたい。図22の150mmの高さのインゴットは、P/N転換(インゴットがp型からn型に移動する点)が約75mmにあり、約45％の収率のp型UMG-Si(符番218で示す)が使用されるために残る。表219は、ohm-cmで表される抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、図22の抵抗率プロファイルに示すバッチの抵抗率データを提供する。図23の150mmの高さのインゴットは、P/N転換が約110mmにあり、約74％の収率のp型UMG-Si(符番220で示す)が使用されるために残る。表221は、ohm-cmで表される抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、図23の抵抗率プロファイルに示すバッチの抵抗率データを提供する。
【００６４】
この激しいばらつきは、石英および石炭等の(ただしこれらに限定されない)受入材料に主に由来する。本開示は、その後ウエハ生成して太陽電池を作製するのに使用される産業規模のインゴットを鋳造するためにこのような原料を使用する前に、このばらつきを管理するための方法およびプロセスを提案する。
【００６５】
図24は、4つの異なるバッチ(バッチ1、バッチ2、バッチ3、およびバッチ4)上での同時方向性凝固運転(4るつぼ運転)による例示の検査インゴットについてのB(ボロン)およびP(リン)のICPMSデータを示す。表224は、バッチ1およびバッチ2について測定されたボロンおよびリン濃度を示す。表226は、バッチ3およびバッチ4について測定されたボロンおよびリン濃度を示す。対応する抵抗率プロファイルは、バッチ1については図25、バッチ2については図26、バッチ3については図27、およびバッチ4については図28に示す。ここで、抵抗率データは、ICPMSに基づく予想と合わない。例えば、ボロンおよびリンの測定値に基づいて、バッチ1(図25に図示)およびバッチ3(図27に図示)については同様の抵抗率プロファイルを期待するであろう。各バッチについて測定された抵抗率プロファイルは、化学分析ではなく、原料品質の実際の評価を可能にする。
【００６６】
同時に、個別の原料バッチを改変するために(つまり、共ドーピング後に高いp型収率および有用な抵抗率範囲を確実に得るために)、可能性のある共ドーパントの量を、抵抗率プロファイルに基づいて決定することもできる。
【００６７】
図25は、図24のバッチ1について測定された抵抗率データ(抵抗率プロファイル230)を、インゴット高さの底部から上部までについてohm-cmで示すグラフである。バッチ1は、約120mmでP/N転換し、約73％のUMG-Si(符番234として図示)収率を残す。表232は、ohm-cmでの抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、バッチ1についての抵抗率データを提供する。
【００６８】
図26は、図24中のバッチ2について測定された抵抗率データ(抵抗率プロファイル236)を、インゴット高さの底部から上部までについてohm-cmで示すグラフである。バッチ2は、約45mmでP/N転換し、約26％のUMG-Si(符番240として図示)収率を残す。表238は、ohm-cmでの抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、バッチ2についての抵抗率データを提供する。
【００６９】
図27は、図24中のバッチ3について測定された抵抗率データ(抵抗率プロファイル240)を、インゴット高さの底部から上部までについてohm-cmで示すグラフである。バッチ3は、約50mmでP/N転換し、約28％のUMG-Si(符番246として図示)収率を残す。表242は、ohm-cmでの抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、バッチ3についての抵抗率データを提供する。
【００７０】
図28は、図24中のバッチ4について測定された抵抗率データ(抵抗率プロファイル248)を、インゴット高さの底部から上部までについてohm-cmで示すグラフである。バッチ4は、約70mmでP/N転換し、約41％のUMG-Si(符番252として図示)収率を残す。表250は、ohm-cmでの抵抗値の平均値、中央値、最小値、および最大値を含む、バッチ4についての抵抗率データを提供する。
【００７１】
図29は、鋳造されたインゴットの底部から上部までの写真である。本開示は、シリコン原料の全てのバッチから小さい検査インゴットを生成した後、底部から上部までの抵抗率を測定することによって、UMG-Si原料の品質を管理する方法を記載する。このプロセスにより、インゴットについて成長条件を決定することが可能になる。一つの態様例では、450kgのインゴットを生成し、p型収率を上げ、抵抗率を管理する成長条件を特定する。しかし、本開示は他の同様の成長条件も可能にする。
【００７２】
図30は、開示の主題による結晶成長器るつぼの配置の態様を図示している。原料品質を管理するために、本開示は、図30に示すような配置のような様々な配置に適応する多るつぼ結晶成長器を使用して、(方向性凝固プロセスにより)同時に成長させた検査インゴットの底部から上部までの抵抗率プロファイルから、原材料のボロンおよびリンの濃度を決定する。結晶成長器構成262は、同じ運転の間に最大4つの検査インゴットを成長させることができる2×2のるつぼ構成を有する。結晶成長器構成264は、同じ運転の間に最大9つの検査インゴットを成長させることができる3×3のるつぼ構成を有する。結晶成長器構成266は、同じ運転の間に最大16個の検査インゴットを成長させることができる4×4のるつぼ構成を有する。結晶成長器構成268は、同じ運転の間に最大36個の検査インゴットを成長させることができる6×6のるつぼ構成を有する。より大きい配置(7×7等)、長方形の構成(2×3、3×2、3×4、もしくは4×3等)、またはそれらの任意のバリエーション等、他のるつぼ構成も使用できる。
【００７３】
例示の態様において、検査インゴットは、15kgの範囲の重さであり得、本プロセスによれば、同じ運転の間に異なる原料バッチからこれらの検査インゴットが成長する。実験的検査により、本方法による原料バッチ全体の有効な特性評価を確認した。典型的に、原料バッチは2000kg〜6000kgにわたり得る。
【００７４】
さらに、原材料中のボロンおよびリンの決定および管理を、SiC汚染の検出によって補ってもよい。これは、IR検査を用いて、そのような原材料からインゴット中の「含有」を検出することによって行われ得る。
【００７５】
図30の原材料のバッチを含むるつぼは、結晶化の間の交差汚染を避けるために、高純度グラファイトまたは他の類似の材料からできた蓋で覆われてもよい。図30に示す配置は、異なる原料バッチを同時に鋳造および検査するために可能な配置の例である。別の態様では、他の配置において、円筒形等の異なる形状のるつぼが使用され得る。
【００７６】
図31は、単一るつぼの場合のサーマル配置から、一回の方向性凝固運転当たり4つのるつぼの場合のサーマル配置への改変を示す写真である。単一るつぼ結晶成長器270を、4るつぼ結晶成長器272に改変した。従って、一回の方向性凝固運転当たりに4つの検査インゴットが同時に成長できる(符番274で示す写真のように)。
【００７７】
本態様では、個々のインゴットの大きさは、6インチの太陽電池の生産を可能にするものである。本開示の方法は、迅速かつ信頼性のあるB/P比の管理を可能にする。図31に示す態様は、例えば、50MTのUMG-Si原材料の原料バッチサイズに対応して、一回の運転当たり36のインゴットに拡大され得る。
【００７８】
これらの検査インゴットの比較的小さいサイズは、熱および気流の調和を保証するために特別に設計されたコンポーネントを有する産業規模の結晶化炉を使用して、よく管理された結晶化を可能にする。B/P比確認について原料バッチ1つ当たり1回のインゴット検査が用いられ、SiC含有等のさらなる分析がその後行われ得る。
【００７９】
図32は、実際のUMG-Siインゴットにおいて見つかった炭化ケイ素(silicon carbide)(SiC)不純物を示す写真例である。インゴット276、インゴット278、およびインゴット280中の多様なSiC含有程度に留意されたい。SiC含有は、赤外線撮像(IR)プロセスにより決定され得る。多くの場合、原料供給元の現地におけるプロセス条件によって、1つのバッチから他のバッチへとSiC含有が形成される。SiCを含有する原料は、含有を有するインゴットを生成するため、原料供給元の側でより良い管理プロセスを行うことにより、ユーザー(太陽電池製造業者等)の側では、含有のないインゴットの生成が可能になる。一態様において、多るつぼ配置は、原材料の信頼性のあるプロセス管理を可能にする。多るつぼ鋳造に基づく管理方法論も、受入原材料を原料ユーザーのために特性評価するのに適用可能である。
【００８０】
図33は、開示するUMG-Si管理プロセスの一態様の主な工程を示すプロセスフローである。工程290では、分析用の原材料バッチを選択する。典型的に、バッチサイズは、約2〜6MTの範囲にある。許容可能な検査のために、分析バッチサイズと原料バッチサイズの比は、2×10-3を上回るべきである。この比率は、UMG-Si原料の化学分析に基づいた現行方式よりも3〜4桁大きい。
【００８１】
工程292では、検査バッチの結晶化が生じる。るつぼの大きさおよび形状は、典型的にインゴットがおよそ156mm×156mmのウエハを産生可能なようにするものである。さらに、開示のプロセスは、1回の運転で複数のバッチを分析するため、全てのるつぼおよび検査バッチについて調和の取れた熱および気流条件が揃っているべきである。
【００８２】
工程294では、個別のインゴットの抵抗率プロファイルが測定される。この抵抗率測定から、ボロンおよびリンの濃度が決定され得る。
【００８３】
任意の工程296は、分析される原料バッチ中のボロンおよびリンの量に基づいて、インゴット収率を高めて、かつ適切な抵抗率プロファイルを作るために使用され得る共ドーパントを決定する。任意の工程298は、IR分析により検査インゴット中のSiC含有を決定する。さらに任意の工程300は、原料バッチの広範囲な評価用の検査ウエハを作製する。
【００８４】
実施中、開示の主題は、UMG-Siバッチから得た検査インゴットの抵抗率プロファイルに基づいて、UMG-Si原料バッチ中の不純物の濃度を決定するための品質管理方法を提供する。UMG-Si原料バッチにそれぞれ対応する複数の検査インゴットは、方向性凝固プロセスにより同時成長され得る。
【００８５】
開示の主題を詳細に述べてきたが、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変化、置換、および変更が可能であることが理解されよう。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【国際調査報告】
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