多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法及び多結晶シリコンの製造方法
【課題】必要な品質を確保し、且つ、原料の無駄を押さえることが可能な多結晶シリコンの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明による多結晶シリコンの製造方法は、所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテストウェーハを作製する工程と、テストウェーハの少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及びテストウェーハの厚さに基づいて、第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程とを備えている。そして、第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについては、その外周部の鋳肌に存在する低品質領域をカット幅で切断して除去する。
【解決手段】本発明による多結晶シリコンの製造方法は、所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテストウェーハを作製する工程と、テストウェーハの少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及びテストウェーハの厚さに基づいて、第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程とを備えている。そして、第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについては、その外周部の鋳肌に存在する低品質領域をカット幅で切断して除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅の決定方法に関するものである。また、本発明は、そのような決定方法を用いた多結晶シリコン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、２参照）。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。
【０００５】
一般に、太陽電池用多結晶シリコンは、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）、または電磁誘導による連続鋳造法（「電磁鋳造法」ともいう）で製造される（特許文献１、２参照）。太陽電池用多結晶シリコンの鋳造では、角形の石英るつぼ、或いは角形のグラファイト製の鋳型が用いられ、得られたシリコンインゴットも角柱状となる。このシリコンインゴットを加工しやすい所定のサイズのシリコンブロックに分割した後、シリコンブロックをスライスすることにより、例えば約１５×１５ｃｍの正方形の太陽電池用多結晶シリコン基板が完成する。
【０００６】
太陽電池セルに関連する従来技術としては例えば特許文献３がある。特許文献３は、Ｂドープｐ型結晶シリコン基板を用いて構成された光電変換装置であって、光活性領域であるバルク基板領域部分と、このバルク基板領域以外の部分とからなり、バルク基板領域部分を単独で取り出して、少数キャリア拡散長を光入射面側から測定したときに、０．５＜（Ｌ１／Ｌｐｅａｋ）とすることを特徴とするものである。（Ｌ１：バルク基板領域部分の光入射面側の任意の位置における少数キャリア拡散長、Ｌｐｅａｋ：上記少数キャリア拡散長を全面にわたって測定して全データを１０μｍの区間ごとにヒストグラムとし、このヒストグラムの高拡散長側の最大ピークが存在する区間の中心値）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１５６１６６号公報
【特許文献２】特開２００９−９９７３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１９１３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
シリコンインゴットから多結晶シリコン基板を切り出す際、インゴットの外周部の鋳肌付近は不純物や結晶欠陥が多いため切り捨てる必要がある。従来、光電変換効率に影響があるインゴット外周部のカット幅は、キャリアのライフタイム測定を行い、事前に決めた変換効率特性との依存性より決定しており、このカット幅を種々のシリコンインゴットに対して一律に適用していた。
【０００９】
しかしながら、この方法では必ずしも光電変換効率と対応がとれておらず、カット幅が少なく、低品質部を基板中に混在させてしまったり、過剰に切断してしまい、材料を無駄にしてしまったりしていた。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、太陽電池セルに必要な品質を確保し、且つ、原料の無駄を押さえることが可能な多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法、並びにこれを用いた多結晶シリコンの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、多結晶シリコンを用いた太陽電池セルの光電変換効率は多結晶シリコンの少数キャリア拡散長の増加に伴って向上するが、ある程度増加した後は飽和し、変換効率はほぼ一定となることが分かった。一方、ウェーハの少数キャリア拡散長は鋳肌面からのカット幅に依存し、インゴット外周部のカット幅が小さければ少数キャリア拡散長も小さく、逆にカット幅が大きければ少数キャリア拡散長も大きいことが分かった。すなわち、少数キャリア拡散長に基づいて最適なカット幅を導き出せることを見出した。
【００１２】
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法は、多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する方法であって、前記多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記多結晶シリコンインゴットの前記カット幅を決定する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による多結晶シリコンの製造方法は、所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、前記第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程と、前記第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについて、その外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域を前記カット幅で切断して除去する工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記テスト基板を作製する工程は、前記多結晶シリコンインゴットをスライスして所定の厚さのシリコンウェーハを作製する工程と、前記シリコンウェーハの表面にエミッタ拡散処理を施して拡散層を形成する工程と、前記シリコンウェーハの前記表面に反射防止膜を形成する工程と、前記シリコンウェーハの前記表面及び裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を行う工程と、前記拡散層及び前記反射防止膜を除去する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明において、前記カット幅を決定する工程は、前記テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記カット幅を決定する工程であることが好ましい。
【００１６】
本発明において、前記カット幅を決定する工程は、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が前記テストウェーハの厚さの４倍以上となるように、前記カット幅を決定することが好ましく、４〜５倍となるように前記カット幅を決定することがより好ましく、４倍となるように前記カット幅を決定することが特に好ましい。この場合において、前記テスト基板の厚さは製品に近い１５０〜２００μｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、太陽電池セルに必要な品質を確保し、且つ原料を無駄にすることのない多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法、並びにそのような決定方法を用いた多結晶シリコンの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】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。
【図３】無底ルツボの構成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】多結晶シリコンブロック３の同じ断面から取り出される６枚の多結晶シリコンウェーハ４を示す図である。
【図６】多結晶シリコンインゴットの外周部のカット幅の決定方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】基板厚みを２００ｕｍとした場合にシミュレータで計算した光電変換効率（相対値）と少数キャリアの拡散長の依存性を示すグラフである。
【図８】鋳肌カット面（最適と予想されるカット幅より十分に小さいカット幅を仮に採用して鋳肌領域をカットした後の最外周面）からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の一例を示すグラフであり、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。
【図９】図８の特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップである。
【図１０】鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の他の例を示すグラフであり、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。
【図１１】図１０の特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
図１に示すように、まず電磁鋳造法によって角柱状の多結晶シリコンインゴットを製造する（ステップＳ１０１）。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）、さらに洗浄を施すことにより（ステップＳ１０４）、多結晶シリコンウェーハが完成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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が連続的に供給される。原料投入装置５から供給されるシリコン材料Ｓ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。
【００２４】
図３は、無底ルツボ１４の構成を示す略斜視図である。
【００２５】
図３に示すように、無底ルツボ１４は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が誘導加熱され、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
原料投入配管１３は、金属からなる本体部と、本体部とシリコン材料Ｓとの接触を防止するための被覆部とを備えている。つまり、金属からなる本体部が被覆部によって覆われた構造を有している。これにより、原料投入配管１３の本体部とシリコン材料Ｓとの接触によって生じ得る金属汚染が防止される。さらに、本実施形態では、加熱手段１９の表面に、金属材料の露出を防止する被覆部も設けられている。これにより、加熱手段１９を構成する金属材料からの汚染についても防止される。原料投入配管１３の被覆部としてはシリコンゴムなどを用いることができ、加熱手段１９の被覆部としてはシリコンなどを用いることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、中インゴット２の断面（ＸＹ平面）をマトリクス状に４分割又は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。
【００３２】
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。
【００３３】
図５は、多結晶シリコンブロック３の同じ断面から取り出される６枚の多結晶シリコンウェーハ４を示す図である。
【００３４】
図５に示すように、多結晶シリコンブロック３は、Ｘ方向のラインＣ２３と、Ｙ方向のラインＣ３３，Ｃ３４に沿って切断されるため、同じ断面からは６枚のウェーハ４が切り出される。このうち、四隅に位置する４枚の多結晶シリコンウェーハ４ａは、直交する２辺が鋳肌側の辺であり、残りの２辺が中央部側の辺である。これに対し、四隅以外に位置する２枚の多結晶シリコンウェーハ４ｂは、１辺が鋳肌側の辺であり、残りの３辺が中央部側の辺である。
【００３５】
また、鋳肌の除去はＸ方向のラインＣ２１，Ｃ２２、Ｙ方向のＣ３１，Ｃ３２に沿って切断することによって実施される。ここで、鋳肌面からのカット幅が小さい場合には低品質領域の影響によって変換効率が低下するおそれがあり、カット幅が大きい場合には外周部を過剰に除去することで材料の無駄が多くなる。ウェーハ品質の確保の原料の効率利用を両立させるためには、以下に示すように、鋳肌付近の金属汚染された微結晶領域のカット幅を最適化することが必要である。
【００３６】
図６は、多結晶シリコンインゴットの外周部のカット幅の決定方法を説明するためのフローチャートである。
【００３７】
図６に示すように、本実施形態によるカット幅の決定方法では、まず所定の条件下で製造されたシリコンインゴットからテスト基板を作製する（ステップＳ２０１〜Ｓ２０６）。テスト基板の作製では、まずシリコンインゴットから規定サイズの複数のシリコンブロックを切り出す（ステップＳ２０１）。このとき、シリコンインゴットの外周部に存在する低品質領域を切断して除去する必要があるが、現時点では最適なカット幅は未定であることから、最適と予想されるカット幅より十分に小さいカット幅を採用して切断しておけば良い。カット後の最外周面を鋳肌カット面と呼ぶ。
【００３８】
次に、得られたシリコンブロックを所定の厚さ、例えば拡散長測定時の厚みが２００μｍになるようにスライスし、洗浄を施すことにより、シリコンウェーハを作製する（ステップＳ２０２）。
【００３９】
次に、シリコンウェーハに対して通常の太陽電池セルの製造を模擬した加工を実施する。具体的には、まず表裏面の切断ダメージ層をＨＦ／ＨＮＯ３の混酸で除去した後（ステップＳ２０３）、熱処理炉に導入して８００〜８５０℃に昇温してから、ガス化したリン拡散源を導入して、１０〜２０分の熱処理にて、ウェーハ中へのエミッタ拡散を行い、これによりｎ型拡散層を形成する（ステップＳ２０４）。次に、拡散工程で形成された表面のＰＳＧ（Phospho-Silicate-Glass）膜の除去を行った後（ステップＳ２０５）、ＳｉＮ膜からなる反射防止膜をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma-Enhanced CVD：プラズマＣＶＤ）法により形成する（ステップＳ２０６）。
【００４０】
その後、ウェーハの表裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を実施する（ステップＳ２０７）。通常、電極の形成ではＡｇペースト等の電極材料をスクリーン印刷し、これを焼成する必要があるが、実際の太陽電池セルではなくテスト基板を作製するだけであるため、電極材料のスクリーン印刷は省略してよく、電極焼成時の温度、例えば６５０〜９００℃で数秒〜１分程度加熱すれば足りる。もちろん、実際に電極を形成してもかまわない。
【００４１】
次に、シリコンウェーハ上に形成した反射防止膜及びｎ形拡散層を除去する（ステップＳ２０８）。なお電極を形成した場合にはこれも除去する。これらがシリコンウェーハ上に形成された状態のままであると、少数キャリア拡散長の測定の障害となるからである。反射防止膜については、ＨＦ液を用いたエッチングにより除去すればよく、ｎ形拡散層については、ＨＦとＨＮＯ３とを１：３から１：４の割合で混合した混酸を用いて除去すればよい。その後、希ＨＦ液で表面処理を行い、さらに純水洗浄し、一定期間大気中で放置して表面処理状態を安定させることが好ましい。これらの処理により、太陽電池セルとして模擬的に加工したシリコンウェーハを元のウェーハ状態に復帰させることができる。以上により、少数キャリア拡散長を測定するためのテスト基板が完成する。
【００４２】
次に、テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、その平均値を求める（ステップＳ２０９）。このようにすることで、テストウェーハに対する少数キャリア拡散長の測定結果の面内バラツキを抑え、測定結果の信頼性を高めることができる。その後、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値とテスト基板の厚さに基づいて、多結晶シリコンインゴットのカット幅を決定する（ステップＳ２１０）。このカット幅は、この多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される多結晶シリコンインゴットに対して適用され（ステップＳ２１１）、当該インゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域をこのカット幅で切断して除去することにより、ウェーハ品質の確保の原料の効率利用が実現される。
【００４３】
図７は、基板厚みを２００μｍ及び１５０μｍとした場合にシミュレータで計算した光電変換効率と少数キャリアの拡散長の依存性を示すグラフである。なお、光電変換効率は、少数キャリア拡散長が増加することで一定値に近づくことを考慮し、少数キャリア拡散長が３０００μｍのときの値を基準（１００％）として正規化した値を示している。
【００４４】
図７に示すように、基板厚みが２００μｍである太陽電池セルの光電変換効率は、多結晶シリコンの少数キャリア拡散長の増加に伴って向上するが、ある程度増加した後は飽和し、光電変換効率はほぼ一定となる。例えば、少数キャリア拡散長が６００μｍまでは増加しているが、８００μｍ以降はほぼ１００％に達している。
【００４５】
また図７に示すように、基板厚みが１５０μｍである太陽電池セルの光電変換効率は、基板厚みが２００μｍのものよりもわずかに高い傾向が見られ、少数キャリア拡散長が６００μｍのときに約９８％の光電変換効率が得られている。この結果より、少数キャリア拡散長をウェーハ厚みの４倍以上とすれば、光電変換効率は９９％以上となり、品質上十分な値に達することが分かる。
【００４６】
図８は、鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の一例を示すグラフである。同図において、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。このグラフは、基板厚みが２００μｍのものを評価対象し、少数キャリアの拡散長マップ（図９参照）から外周部を５ｍｍずつカットしていき、残りのマップ中の拡散長の平均値を縦軸の値としたものである。
【００４７】
図８に示すように、少数キャリア拡散長は、シリコンインゴットの鋳肌カット面からのカット幅に依存して増加する。よって、カット幅が少ない場合には少数キャリア拡散長は小さく、カット幅が大きい場合には少数キャリア拡散長も大きい。具体的には、カット無し（カット幅０ｍｍ）の場合には少数キャリア拡散長が約７６０μｍであり、カット幅の増加に伴って増加し、カット幅が１８ｍｍの場合には少数キャリア拡散長は約８００μｍとなる。このことを換言すれば、少数キャリア拡散長が約８００μｍであるシリコンウェーハを得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍとすればよいことが分かる。また、鋳肌カット面からのカット幅が１８ｍｍ以上であれば、少数キャリア拡散長は８００μｍ以上となることが分かる。
【００４８】
上記のように、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍ以上とした場合には、少数キャリアの拡散長を８００μｍ以上とすることができ、８００μｍ以上の少数キャリア拡散長を得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍ以上とすればよいことが読み取れる。そして、図７から明らかなように、少数キャリア拡散長が８００μｍ以上の場合には、光電変換効率を９９％以上にすることができる。しかし、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍより大きな値、例えば３０ｍｍにしたとしても、光電変換効率の増加は僅かであり、端材として廃棄する量が増えるに過ぎない。以上を考慮して、本発明では、少数キャリア拡散長が８００〜１０００μｍ、つまりウェーハの厚さの４〜５倍となるように、ウェーハのカット幅を決定するものである。そしてより好ましくは、少数キャリア拡散長が８００μｍ、つまりウェーハの厚さの４倍となるように、ウェーハのカット幅を決定するものである。
【００４９】
さらに、ウェーハのカット幅の決定は鋳造する多結晶シリコンインゴットのサイズの決定にも関与する。太陽電池用シリコン基板の規格サイズは例えば１５６×１５６ｍｍであり、この規格サイズにカット幅を加えた値がインゴットのサイズとなる必要があるからである。このようにしてインゴットのサイズを決定することにより、最終的には高品質な多結晶シリコン基板を得ることができる。
【００５０】
図９は、図８に示した特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップであり、白い部分は拡散長が小さい領域であり、黒い部分は拡散長が大きい領域である。
【００５１】
図９に示すように、少数キャリアの拡散長はウェーハの面内で不均一であるが、鋳肌カット面から一定幅の領域では、拡散長が特に小さいことが分かる。なおこの多結晶シリコンウェーハは、四隅以外に位置する２枚のウェーハ４ｂに該当するものであり（図５参照）、１辺が鋳肌側の辺であり、残りの３辺が中央部側の辺である。そして上記のように鋳肌カット面から１８ｍｍの範囲を切断した場合には、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値を８００μｍにすることができるので、光電変換効率（相対値）を９９％以上にすることができる。
【００５２】
図１０は、鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の他の例を示すグラフである。同図において、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。このグラフは、基板厚みが２００μｍのものを評価対象し、少数キャリアの拡散長マップ（図１１参照）から外周部を５ｍｍずつカットしていき、残りのマップ中の拡散長の平均値を縦軸の値としたものである。
【００５３】
図１０に示すように、少数キャリア拡散長は、シリコンインゴットの鋳肌カット面からのカット幅に依存して増加し、カット無し（カット幅０ｍｍ）の場合には少数キャリア拡散長が約７０３μｍであり、カット幅の増加に伴って増加し、カット幅が３０ｍｍの場合には少数キャリア拡散長は約８００μｍとなる。このことを換言すれば、少数キャリア拡散長が約８００μｍであるシリコンウェーハを得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍとすればよいことが分かる。また、鋳肌カット面からのカット幅が３０ｍｍ以上であれば、少数キャリア拡散長は８００μｍ以上となることが分かる。
【００５４】
上記のように、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍ以上とした場合には、少数キャリアの拡散長を８００μｍ以上とすることができ、８００μｍ以上の少数キャリア拡散長を得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍ以上とすればよいことが読み取れる。そして、図７から明らかなように、少数キャリア拡散長が８００μｍ以上の場合には、光電変換効率を９９％以上にすることができる。しかし、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍより大きな値にしたとしても、光電変換効率の増加は僅かであり、端材として廃棄する量が増えるに過ぎない。以上を考慮して、本発明では、少数キャリア拡散長が８００μｍ、つまりウェーハの厚さの４〜５倍、特に４倍となるように、ウェーハのカット幅を決定することができ、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値に基づいて最適なカット幅を導き出せる。
【００５５】
図１１は、図１０に示した特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップであり、白い部分は拡散長が小さい領域であり、黒い部分は拡散長が大きい領域である。
【００５６】
図１１に示すように、少数キャリアの拡散長はウェーハの面内で不均一であるが、鋳肌カット面から一定幅の領域では、拡散長が特に小さいことが分かる。なおこの多結晶シリコンウェーハは、四隅に位置する４枚のウェーハ４ａに該当するものであり（図５参照）、２辺が鋳肌側の辺であり、残りの２辺が中央部側の辺である。そして上記のように鋳肌鋳肌カット面から３０ｍｍの範囲を切断した場合には、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値を８００μｍにすることができるので、光電変換効率（相対値）を９９％以上にすることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態による多結晶シリコンのカット幅の決定方法は、太陽電池セルの作製工程に適用されるエミッタ拡散工程、ＰＥ−ＣＶＤ工程、電極形成用の焼成工程等を模擬的に実施した後、拡散層や反射防止膜等を除去して加工前の基板構造に戻されたウェーハの少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が当該シリコン基板の厚さの４〜５倍、特に４倍となるようにカット幅を決定し、同一条件で製造されたインゴットに対してはインゴット外周部の低品質領域をそのカット幅で切断するので、光電変換効率への基板品質の影響は実質上なくなり、したがって、品質と経済性を考慮した最適な加工方法を提供することができる。
【００５８】
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。
【００５９】
例えば、上記実施形態においては、２００μｍ及び１５０μｍの厚さのテスト基板を用いているが、テスト基板の厚さは特に限定されず、２００μｍや１５０μｍよりも厚くてもよく、薄くてもかまわない。どのような厚さであっても、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及びテスト基板の厚さに基づいてカット幅を決定するので、品質と経済性を考慮したウェーハの加工が可能である。
【００６０】
また、上記実施形態において、テスト基板を製造する工程は、拡散層を形成する工程、反射防止膜を形成する工程、電極焼成工程等、標準的な太陽電池セルを製造する工程を模擬したものであって、上述した工程に限定されるものではない。すなわち、目的とする太陽電池セルを製造する工程を模擬した工程であれば、どのような工程を経てもよい。
【符号の説明】
【００６１】
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，４ｂ 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 引き出し口
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
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅の決定方法に関するものである。また、本発明は、そのような決定方法を用いた多結晶シリコン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、２参照）。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。
【０００５】
一般に、太陽電池用多結晶シリコンは、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）、または電磁誘導による連続鋳造法（「電磁鋳造法」ともいう）で製造される（特許文献１、２参照）。太陽電池用多結晶シリコンの鋳造では、角形の石英るつぼ、或いは角形のグラファイト製の鋳型が用いられ、得られたシリコンインゴットも角柱状となる。このシリコンインゴットを加工しやすい所定のサイズのシリコンブロックに分割した後、シリコンブロックをスライスすることにより、例えば約１５×１５ｃｍの正方形の太陽電池用多結晶シリコン基板が完成する。
【０００６】
太陽電池セルに関連する従来技術としては例えば特許文献３がある。特許文献３は、Ｂドープｐ型結晶シリコン基板を用いて構成された光電変換装置であって、光活性領域であるバルク基板領域部分と、このバルク基板領域以外の部分とからなり、バルク基板領域部分を単独で取り出して、少数キャリア拡散長を光入射面側から測定したときに、０．５＜（Ｌ１／Ｌｐｅａｋ）とすることを特徴とするものである。（Ｌ１：バルク基板領域部分の光入射面側の任意の位置における少数キャリア拡散長、Ｌｐｅａｋ：上記少数キャリア拡散長を全面にわたって測定して全データを１０μｍの区間ごとにヒストグラムとし、このヒストグラムの高拡散長側の最大ピークが存在する区間の中心値）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１５６１６６号公報
【特許文献２】特開２００９−９９７３４号公報
【特許文献３】特開２００５−１９１３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
シリコンインゴットから多結晶シリコン基板を切り出す際、インゴットの外周部の鋳肌付近は不純物や結晶欠陥が多いため切り捨てる必要がある。従来、光電変換効率に影響があるインゴット外周部のカット幅は、キャリアのライフタイム測定を行い、事前に決めた変換効率特性との依存性より決定しており、このカット幅を種々のシリコンインゴットに対して一律に適用していた。
【０００９】
しかしながら、この方法では必ずしも光電変換効率と対応がとれておらず、カット幅が少なく、低品質部を基板中に混在させてしまったり、過剰に切断してしまい、材料を無駄にしてしまったりしていた。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、太陽電池セルに必要な品質を確保し、且つ、原料の無駄を押さえることが可能な多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法、並びにこれを用いた多結晶シリコンの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、多結晶シリコンを用いた太陽電池セルの光電変換効率は多結晶シリコンの少数キャリア拡散長の増加に伴って向上するが、ある程度増加した後は飽和し、変換効率はほぼ一定となることが分かった。一方、ウェーハの少数キャリア拡散長は鋳肌面からのカット幅に依存し、インゴット外周部のカット幅が小さければ少数キャリア拡散長も小さく、逆にカット幅が大きければ少数キャリア拡散長も大きいことが分かった。すなわち、少数キャリア拡散長に基づいて最適なカット幅を導き出せることを見出した。
【００１２】
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明による多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法は、多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する方法であって、前記多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記多結晶シリコンインゴットの前記カット幅を決定する工程とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による多結晶シリコンの製造方法は、所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、前記第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程と、前記第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについて、その外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域を前記カット幅で切断して除去する工程とを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記テスト基板を作製する工程は、前記多結晶シリコンインゴットをスライスして所定の厚さのシリコンウェーハを作製する工程と、前記シリコンウェーハの表面にエミッタ拡散処理を施して拡散層を形成する工程と、前記シリコンウェーハの前記表面に反射防止膜を形成する工程と、前記シリコンウェーハの前記表面及び裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を行う工程と、前記拡散層及び前記反射防止膜を除去する工程を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明において、前記カット幅を決定する工程は、前記テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記カット幅を決定する工程であることが好ましい。
【００１６】
本発明において、前記カット幅を決定する工程は、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が前記テストウェーハの厚さの４倍以上となるように、前記カット幅を決定することが好ましく、４〜５倍となるように前記カット幅を決定することがより好ましく、４倍となるように前記カット幅を決定することが特に好ましい。この場合において、前記テスト基板の厚さは製品に近い１５０〜２００μｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、太陽電池セルに必要な品質を確保し、且つ原料を無駄にすることのない多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法、並びにそのような決定方法を用いた多結晶シリコンの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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】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。
【図３】無底ルツボの構成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】多結晶シリコンブロック３の同じ断面から取り出される６枚の多結晶シリコンウェーハ４を示す図である。
【図６】多結晶シリコンインゴットの外周部のカット幅の決定方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】基板厚みを２００ｕｍとした場合にシミュレータで計算した光電変換効率（相対値）と少数キャリアの拡散長の依存性を示すグラフである。
【図８】鋳肌カット面（最適と予想されるカット幅より十分に小さいカット幅を仮に採用して鋳肌領域をカットした後の最外周面）からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の一例を示すグラフであり、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。
【図９】図８の特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップである。
【図１０】鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の他の例を示すグラフであり、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。
【図１１】図１０の特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
図１に示すように、まず電磁鋳造法によって角柱状の多結晶シリコンインゴットを製造する（ステップＳ１０１）。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）、さらに洗浄を施すことにより（ステップＳ１０４）、多結晶シリコンウェーハが完成する。
【００２２】
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。
【００２３】
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が連続的に供給される。原料投入装置５から供給されるシリコン材料Ｓ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。
【００２４】
図３は、無底ルツボ１４の構成を示す略斜視図である。
【００２５】
図３に示すように、無底ルツボ１４は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が誘導加熱され、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
原料投入配管１３は、金属からなる本体部と、本体部とシリコン材料Ｓとの接触を防止するための被覆部とを備えている。つまり、金属からなる本体部が被覆部によって覆われた構造を有している。これにより、原料投入配管１３の本体部とシリコン材料Ｓとの接触によって生じ得る金属汚染が防止される。さらに、本実施形態では、加熱手段１９の表面に、金属材料の露出を防止する被覆部も設けられている。これにより、加熱手段１９を構成する金属材料からの汚染についても防止される。原料投入配管１３の被覆部としてはシリコンゴムなどを用いることができ、加熱手段１９の被覆部としてはシリコンなどを用いることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、中インゴット２の断面（ＸＹ平面）をマトリクス状に４分割又は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。
【００３２】
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。
【００３３】
図５は、多結晶シリコンブロック３の同じ断面から取り出される６枚の多結晶シリコンウェーハ４を示す図である。
【００３４】
図５に示すように、多結晶シリコンブロック３は、Ｘ方向のラインＣ２３と、Ｙ方向のラインＣ３３，Ｃ３４に沿って切断されるため、同じ断面からは６枚のウェーハ４が切り出される。このうち、四隅に位置する４枚の多結晶シリコンウェーハ４ａは、直交する２辺が鋳肌側の辺であり、残りの２辺が中央部側の辺である。これに対し、四隅以外に位置する２枚の多結晶シリコンウェーハ４ｂは、１辺が鋳肌側の辺であり、残りの３辺が中央部側の辺である。
【００３５】
また、鋳肌の除去はＸ方向のラインＣ２１，Ｃ２２、Ｙ方向のＣ３１，Ｃ３２に沿って切断することによって実施される。ここで、鋳肌面からのカット幅が小さい場合には低品質領域の影響によって変換効率が低下するおそれがあり、カット幅が大きい場合には外周部を過剰に除去することで材料の無駄が多くなる。ウェーハ品質の確保の原料の効率利用を両立させるためには、以下に示すように、鋳肌付近の金属汚染された微結晶領域のカット幅を最適化することが必要である。
【００３６】
図６は、多結晶シリコンインゴットの外周部のカット幅の決定方法を説明するためのフローチャートである。
【００３７】
図６に示すように、本実施形態によるカット幅の決定方法では、まず所定の条件下で製造されたシリコンインゴットからテスト基板を作製する（ステップＳ２０１〜Ｓ２０６）。テスト基板の作製では、まずシリコンインゴットから規定サイズの複数のシリコンブロックを切り出す（ステップＳ２０１）。このとき、シリコンインゴットの外周部に存在する低品質領域を切断して除去する必要があるが、現時点では最適なカット幅は未定であることから、最適と予想されるカット幅より十分に小さいカット幅を採用して切断しておけば良い。カット後の最外周面を鋳肌カット面と呼ぶ。
【００３８】
次に、得られたシリコンブロックを所定の厚さ、例えば拡散長測定時の厚みが２００μｍになるようにスライスし、洗浄を施すことにより、シリコンウェーハを作製する（ステップＳ２０２）。
【００３９】
次に、シリコンウェーハに対して通常の太陽電池セルの製造を模擬した加工を実施する。具体的には、まず表裏面の切断ダメージ層をＨＦ／ＨＮＯ３の混酸で除去した後（ステップＳ２０３）、熱処理炉に導入して８００〜８５０℃に昇温してから、ガス化したリン拡散源を導入して、１０〜２０分の熱処理にて、ウェーハ中へのエミッタ拡散を行い、これによりｎ型拡散層を形成する（ステップＳ２０４）。次に、拡散工程で形成された表面のＰＳＧ（Phospho-Silicate-Glass）膜の除去を行った後（ステップＳ２０５）、ＳｉＮ膜からなる反射防止膜をＰＥ−ＣＶＤ（Plasma-Enhanced CVD：プラズマＣＶＤ）法により形成する（ステップＳ２０６）。
【００４０】
その後、ウェーハの表裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を実施する（ステップＳ２０７）。通常、電極の形成ではＡｇペースト等の電極材料をスクリーン印刷し、これを焼成する必要があるが、実際の太陽電池セルではなくテスト基板を作製するだけであるため、電極材料のスクリーン印刷は省略してよく、電極焼成時の温度、例えば６５０〜９００℃で数秒〜１分程度加熱すれば足りる。もちろん、実際に電極を形成してもかまわない。
【００４１】
次に、シリコンウェーハ上に形成した反射防止膜及びｎ形拡散層を除去する（ステップＳ２０８）。なお電極を形成した場合にはこれも除去する。これらがシリコンウェーハ上に形成された状態のままであると、少数キャリア拡散長の測定の障害となるからである。反射防止膜については、ＨＦ液を用いたエッチングにより除去すればよく、ｎ形拡散層については、ＨＦとＨＮＯ３とを１：３から１：４の割合で混合した混酸を用いて除去すればよい。その後、希ＨＦ液で表面処理を行い、さらに純水洗浄し、一定期間大気中で放置して表面処理状態を安定させることが好ましい。これらの処理により、太陽電池セルとして模擬的に加工したシリコンウェーハを元のウェーハ状態に復帰させることができる。以上により、少数キャリア拡散長を測定するためのテスト基板が完成する。
【００４２】
次に、テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、その平均値を求める（ステップＳ２０９）。このようにすることで、テストウェーハに対する少数キャリア拡散長の測定結果の面内バラツキを抑え、測定結果の信頼性を高めることができる。その後、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値とテスト基板の厚さに基づいて、多結晶シリコンインゴットのカット幅を決定する（ステップＳ２１０）。このカット幅は、この多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される多結晶シリコンインゴットに対して適用され（ステップＳ２１１）、当該インゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域をこのカット幅で切断して除去することにより、ウェーハ品質の確保の原料の効率利用が実現される。
【００４３】
図７は、基板厚みを２００μｍ及び１５０μｍとした場合にシミュレータで計算した光電変換効率と少数キャリアの拡散長の依存性を示すグラフである。なお、光電変換効率は、少数キャリア拡散長が増加することで一定値に近づくことを考慮し、少数キャリア拡散長が３０００μｍのときの値を基準（１００％）として正規化した値を示している。
【００４４】
図７に示すように、基板厚みが２００μｍである太陽電池セルの光電変換効率は、多結晶シリコンの少数キャリア拡散長の増加に伴って向上するが、ある程度増加した後は飽和し、光電変換効率はほぼ一定となる。例えば、少数キャリア拡散長が６００μｍまでは増加しているが、８００μｍ以降はほぼ１００％に達している。
【００４５】
また図７に示すように、基板厚みが１５０μｍである太陽電池セルの光電変換効率は、基板厚みが２００μｍのものよりもわずかに高い傾向が見られ、少数キャリア拡散長が６００μｍのときに約９８％の光電変換効率が得られている。この結果より、少数キャリア拡散長をウェーハ厚みの４倍以上とすれば、光電変換効率は９９％以上となり、品質上十分な値に達することが分かる。
【００４６】
図８は、鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の一例を示すグラフである。同図において、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。このグラフは、基板厚みが２００μｍのものを評価対象し、少数キャリアの拡散長マップ（図９参照）から外周部を５ｍｍずつカットしていき、残りのマップ中の拡散長の平均値を縦軸の値としたものである。
【００４７】
図８に示すように、少数キャリア拡散長は、シリコンインゴットの鋳肌カット面からのカット幅に依存して増加する。よって、カット幅が少ない場合には少数キャリア拡散長は小さく、カット幅が大きい場合には少数キャリア拡散長も大きい。具体的には、カット無し（カット幅０ｍｍ）の場合には少数キャリア拡散長が約７６０μｍであり、カット幅の増加に伴って増加し、カット幅が１８ｍｍの場合には少数キャリア拡散長は約８００μｍとなる。このことを換言すれば、少数キャリア拡散長が約８００μｍであるシリコンウェーハを得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍとすればよいことが分かる。また、鋳肌カット面からのカット幅が１８ｍｍ以上であれば、少数キャリア拡散長は８００μｍ以上となることが分かる。
【００４８】
上記のように、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍ以上とした場合には、少数キャリアの拡散長を８００μｍ以上とすることができ、８００μｍ以上の少数キャリア拡散長を得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍ以上とすればよいことが読み取れる。そして、図７から明らかなように、少数キャリア拡散長が８００μｍ以上の場合には、光電変換効率を９９％以上にすることができる。しかし、鋳肌カット面からのカット幅を１８ｍｍより大きな値、例えば３０ｍｍにしたとしても、光電変換効率の増加は僅かであり、端材として廃棄する量が増えるに過ぎない。以上を考慮して、本発明では、少数キャリア拡散長が８００〜１０００μｍ、つまりウェーハの厚さの４〜５倍となるように、ウェーハのカット幅を決定するものである。そしてより好ましくは、少数キャリア拡散長が８００μｍ、つまりウェーハの厚さの４倍となるように、ウェーハのカット幅を決定するものである。
【００４９】
さらに、ウェーハのカット幅の決定は鋳造する多結晶シリコンインゴットのサイズの決定にも関与する。太陽電池用シリコン基板の規格サイズは例えば１５６×１５６ｍｍであり、この規格サイズにカット幅を加えた値がインゴットのサイズとなる必要があるからである。このようにしてインゴットのサイズを決定することにより、最終的には高品質な多結晶シリコン基板を得ることができる。
【００５０】
図９は、図８に示した特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップであり、白い部分は拡散長が小さい領域であり、黒い部分は拡散長が大きい領域である。
【００５１】
図９に示すように、少数キャリアの拡散長はウェーハの面内で不均一であるが、鋳肌カット面から一定幅の領域では、拡散長が特に小さいことが分かる。なおこの多結晶シリコンウェーハは、四隅以外に位置する２枚のウェーハ４ｂに該当するものであり（図５参照）、１辺が鋳肌側の辺であり、残りの３辺が中央部側の辺である。そして上記のように鋳肌カット面から１８ｍｍの範囲を切断した場合には、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値を８００μｍにすることができるので、光電変換効率（相対値）を９９％以上にすることができる。
【００５２】
図１０は、鋳肌カット面からのカット幅と少数キャリア拡散長の関係の他の例を示すグラフである。同図において、横軸は鋳肌カット面からのカット幅（ｍｍ）、縦軸は少数キャリア拡散長（μｍ）をそれぞれ示している。このグラフは、基板厚みが２００μｍのものを評価対象し、少数キャリアの拡散長マップ（図１１参照）から外周部を５ｍｍずつカットしていき、残りのマップ中の拡散長の平均値を縦軸の値としたものである。
【００５３】
図１０に示すように、少数キャリア拡散長は、シリコンインゴットの鋳肌カット面からのカット幅に依存して増加し、カット無し（カット幅０ｍｍ）の場合には少数キャリア拡散長が約７０３μｍであり、カット幅の増加に伴って増加し、カット幅が３０ｍｍの場合には少数キャリア拡散長は約８００μｍとなる。このことを換言すれば、少数キャリア拡散長が約８００μｍであるシリコンウェーハを得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍとすればよいことが分かる。また、鋳肌カット面からのカット幅が３０ｍｍ以上であれば、少数キャリア拡散長は８００μｍ以上となることが分かる。
【００５４】
上記のように、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍ以上とした場合には、少数キャリアの拡散長を８００μｍ以上とすることができ、８００μｍ以上の少数キャリア拡散長を得るためには、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍ以上とすればよいことが読み取れる。そして、図７から明らかなように、少数キャリア拡散長が８００μｍ以上の場合には、光電変換効率を９９％以上にすることができる。しかし、鋳肌カット面からのカット幅を３０ｍｍより大きな値にしたとしても、光電変換効率の増加は僅かであり、端材として廃棄する量が増えるに過ぎない。以上を考慮して、本発明では、少数キャリア拡散長が８００μｍ、つまりウェーハの厚さの４〜５倍、特に４倍となるように、ウェーハのカット幅を決定することができ、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値に基づいて最適なカット幅を導き出せる。
【００５５】
図１１は、図１０に示した特性を有するウェーハの少数キャリアの拡散長マップであり、白い部分は拡散長が小さい領域であり、黒い部分は拡散長が大きい領域である。
【００５６】
図１１に示すように、少数キャリアの拡散長はウェーハの面内で不均一であるが、鋳肌カット面から一定幅の領域では、拡散長が特に小さいことが分かる。なおこの多結晶シリコンウェーハは、四隅に位置する４枚のウェーハ４ａに該当するものであり（図５参照）、２辺が鋳肌側の辺であり、残りの２辺が中央部側の辺である。そして上記のように鋳肌鋳肌カット面から３０ｍｍの範囲を切断した場合には、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値を８００μｍにすることができるので、光電変換効率（相対値）を９９％以上にすることができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態による多結晶シリコンのカット幅の決定方法は、太陽電池セルの作製工程に適用されるエミッタ拡散工程、ＰＥ−ＣＶＤ工程、電極形成用の焼成工程等を模擬的に実施した後、拡散層や反射防止膜等を除去して加工前の基板構造に戻されたウェーハの少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が当該シリコン基板の厚さの４〜５倍、特に４倍となるようにカット幅を決定し、同一条件で製造されたインゴットに対してはインゴット外周部の低品質領域をそのカット幅で切断するので、光電変換効率への基板品質の影響は実質上なくなり、したがって、品質と経済性を考慮した最適な加工方法を提供することができる。
【００５８】
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。
【００５９】
例えば、上記実施形態においては、２００μｍ及び１５０μｍの厚さのテスト基板を用いているが、テスト基板の厚さは特に限定されず、２００μｍや１５０μｍよりも厚くてもよく、薄くてもかまわない。どのような厚さであっても、少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及びテスト基板の厚さに基づいてカット幅を決定するので、品質と経済性を考慮したウェーハの加工が可能である。
【００６０】
また、上記実施形態において、テスト基板を製造する工程は、拡散層を形成する工程、反射防止膜を形成する工程、電極焼成工程等、標準的な太陽電池セルを製造する工程を模擬したものであって、上述した工程に限定されるものではない。すなわち、目的とする太陽電池セルを製造する工程を模擬した工程であれば、どのような工程を経てもよい。
【符号の説明】
【００６１】
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，４ｂ 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 引き出し口
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する方法であって、
前記多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記多結晶シリコンインゴットの前記カット幅を決定する工程とを備えることを特徴とする多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項２】
前記テスト基板を作製する工程は、
前記多結晶シリコンインゴットをスライスして所定の厚さのシリコンウェーハを作製する工程と、
前記シリコンウェーハの表面にエミッタ拡散処理を施して拡散層を形成する工程と、
前記シリコンウェーハの前記表面に反射防止膜を形成する工程と、
前記シリコンウェーハの前記表面及び裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を行う工程と、
前記拡散層及び前記反射防止膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項３】
前記カット幅を決定する工程は、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記カット幅を決定する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項４】
前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が前記テスト基板の厚さの４〜５倍となるように、前記カット幅を決定することを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項５】
前記テスト基板の厚さが１５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項６】
所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、
前記第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程と、
前記第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについて、その外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域を前記カット幅で切断して除去する工程とを備えることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【請求項１】
多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する方法であって、
前記多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記多結晶シリコンインゴットの前記カット幅を決定する工程とを備えることを特徴とする多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項２】
前記テスト基板を作製する工程は、
前記多結晶シリコンインゴットをスライスして所定の厚さのシリコンウェーハを作製する工程と、
前記シリコンウェーハの表面にエミッタ拡散処理を施して拡散層を形成する工程と、
前記シリコンウェーハの前記表面に反射防止膜を形成する工程と、
前記シリコンウェーハの前記表面及び裏面に電極を形成するための焼成工程を模擬した熱処理を行う工程と、
前記拡散層及び前記反射防止膜を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項３】
前記カット幅を決定する工程は、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長の面内分布を測定し、前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値及び前記テスト基板の厚さに基づいて、前記カット幅を決定する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項４】
前記少数キャリア拡散長の面内分布の平均値が前記テスト基板の厚さの４〜５倍となるように、前記カット幅を決定することを特徴とする請求項３に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項５】
前記テスト基板の厚さが１５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の多結晶シリコンインゴットのカット幅の決定方法。
【請求項６】
所定の製造条件下で第１の多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程と、
前記第１の多結晶シリコンインゴットから所定の厚さのテスト基板を作製する工程と、
前記テスト基板の少数キャリア拡散長を測定し、当該少数キャリア拡散長及び前記テストウェーハの厚さに基づいて、前記第１の多結晶シリコンインゴットの外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域のカット幅を決定する工程と、
前記第１の多結晶シリコンインゴットと実質的に同一条件下で鋳造される第２の多結晶シリコンインゴットについて、その外周部の鋳肌付近に存在する低品質領域を前記カット幅で切断して除去する工程とを備えることを特徴とする多結晶シリコンの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１１９３７２（Ｐ２０１２−１１９３７２Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５２９０（Ｐ２０１０−２６５２９０）
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２９日（２０１０．１１．２９）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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