多結晶シリコンウェーハ及びその製造方法
【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】一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、第１乃至第４の外周領域ａ１〜ａ４と、いずれも外周領域にも属さない中央領域ｂとを含み、第１の外周領域ａ１におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短く、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しく、中央領域ｂにおけるライフタイムは、３０μｓ以上である。本発明によれば、多結晶シリコンインゴットの断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切り出すことができるとともに、ライフタイムが３０μｓ以上である領域を全体の１／３以上とすることができる。これにより、１６％以上の変換効率を確保することが可能となる。
【解決手段】一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、第１乃至第４の外周領域ａ１〜ａ４と、いずれも外周領域にも属さない中央領域ｂとを含み、第１の外周領域ａ１におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短く、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しく、中央領域ｂにおけるライフタイムは、３０μｓ以上である。本発明によれば、多結晶シリコンインゴットの断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切り出すことができるとともに、ライフタイムが３０μｓ以上である領域を全体の１／３以上とすることができる。これにより、１６％以上の変換効率を確保することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンウェーハ及びその製造方法に関し、特に、太陽光発電パネル用として好適な四角形の多結晶シリコンウェーハ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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５６１６６号公報
【特許文献２】特開２００９−９９７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽光発電パネルの変換効率を低下させる主要因は、多結晶シリコンインゴットへの汚染物質の混入である。代表的な汚染物質は鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）などの重金属であり、その混入経路としては、シリコン融液からの汚染と、固化した多結晶シリコンインゴットの表面（いわゆる鋳肌）からの汚染が挙げられる。シリコン融液からの汚染は、インゴットの断面にほぼ均一に現れる一方、鋳肌からの汚染は、インゴットの表層部分にのみ現れる。したがって、インゴット断面の中央領域に現れる汚染はシリコン融液に起因するものである。一方、インゴットの表層部分に現れる汚染は、シリコン融液に起因するものと鋳肌からの汚染に起因するものが混在している。
【０００７】
シリコン融液からの汚染を低減するためには、純度の高い多結晶シリコン塊を使用することが最も有効である。しかしながら、本発明者らの研究によれば、純度の高い多結晶シリコン塊を使用しても、インゴット断面の中央領域に現れる汚染を十分に低減することはできず、電磁鋳造装置自体に改良を加える必要があることを見いだした。
【０００８】
これに対し、鋳肌からの汚染を十分に低減することは困難である。鋳肌からの汚染を低減させる方法としては、チャンバー内のガスの流れを制御するなどの方法が挙げられるが、これらの対策を十分に施しても、インゴットの表層部分に現れる汚染は容易に低減しない。したがって、純度の高い多結晶シリコン塊を使用し、且つ、電磁鋳造装置に改良を加えると、インゴット断面の中央領域においては相対的に汚染が少なくなり、インゴットの表層部分においては相対的に汚染が多くなる。
【０００９】
このため、汚染の少ない高品位な多結晶シリコンインゴットを鋳造するためには、インゴットの径（一辺の長さ）を大型化することによって、インゴット断面の中央領域の面積を稼ぐことが有効であると考えられる。しかしながら、インゴットの径をあまりに大型化することは現実的でないため、現実的な径に押さえつつ、インゴットから切り出された多結晶シリコンウェーハの汚染をより低減することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、このような観点から鋭意研究を進めた結果、多結晶シリコンインゴットの断面を四角形とし、その断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多結晶シリコンウェーハを取り出せば、１枚のウェーハに含まれるインゴットの表層領域は、最大でもウェーハの２辺となり、全体として汚染レベルを抑えられることを見いだした。また、鋳肌からの汚染は、インゴットの表面から５０ｍｍ以内に留まること、さらに、キャリアのライフタイムが３０μｓ以上である領域が全体の１／３以上であれば、一般に高効率と呼ばれる１６％以上の変換効率を確保でき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。
【００１１】
本発明による多結晶シリコンウェーハは、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、第１の辺から５０ｍｍの範囲に属する第１の外周領域と、前記第１の辺と平行な第２の辺から５０ｍｍの範囲に属する第２の外周領域と、前記第１の辺と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する第３の外周領域と、前記第３の辺と平行な第４の辺から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域と、前記第１乃至第４の外周領域のいずれにも属さない中央領域と、を含み、前記第１の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短く、前記第２及び第３の外周領域のうち、前記第１又は第４の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しく、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムは、表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、断面が四角形である多結晶シリコンインゴットの断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多結晶シリコンウェーハを取り出すことができるとともに、キャリアのライフタイムが３０μｓ以上である領域を全体の１／３以上とすることができる。これにより、１６％以上の変換効率を確保することが可能となる。
【００１３】
本発明において、前記第４の外周領域のうち、前記第１の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短くてもかまわないし、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しくても構わない。前者の多結晶シリコンウェーハは、多結晶シリコンインゴットの断面を４分割した場合、あるいは、６分割した場合の四隅の位置から取り出すことができる。一方、後者の多結晶シリコンウェーハは、多結晶シリコンインゴットの断面を６分割した場合の四隅以外の位置から取り出すことができる。
【００１４】
本発明において、前記主面の一辺が２２３ｍｍ以下であることが好ましい。これによれば、多結晶シリコンインゴットの断面積を２０００００ｍｍ２以下に抑えることができることから、電磁鋳造装置の著しい大型化を防止することが可能となる。
【００１５】
本発明による多結晶シリコンウェーハの製造方法は、電磁鋳造法によって断面が四角形の多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造する工程と、前記多結晶シリコンインゴットを成長方向に分割するとともに、前記断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多結晶シリコンブロックを取り出す工程と、前記多結晶シリコンブロックを成長方向に対して垂直にスライスすることによって、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハを取り出す工程と、を備え、前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、原料の投入口となる上方開口部と前記多結晶シリコンインゴットの取り出し口となる下方開口部を有する無底ルツボと、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を投入するための原料投入配管とを用い、前記原料投入配管は、金属からなる本体部と、前記本体部と投入される原料との接触を防止するための被覆部とを備え、これにより、前記多結晶シリコンウェーハの各辺から５０ｍｍ以上離れた中央領域におけるキャリアのライフタイムを表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上とすることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、原料投入配管に被覆部を設けていることから、原料投入配管の本体部を構成する金属と原料との接触が防止される。これにより、シリコン融液の汚染が低減されることから、１６％以上の変換効率を有する多結晶シリコンウェーハを製造することが可能となる。
【００１７】
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を加熱するための加熱手段をさらに用い、前記加熱手段の表面には金属材料の露出を防止する被覆部が設けられていることが好ましい。これによれば、シリコン融液の汚染がより低減されることから、より高い変換効率を有する多結晶シリコンウェーハを製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、非常に大型の電磁鋳造装置を用いることなく、１６％以上の変換効率を有する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】
【００１９】
【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】多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に６分割する例を示す図である。
【図６】多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に４分割する例を示す図である。
【図７】多結晶シリコンブロックの断面を図５及び図６とは異なる方法で分割する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。鋳肌から導入された金属などの不純物は、インゴット１の中央に向かって拡散するが、その距離は最大で５０ｍｍである。したがって、鋳肌面の除去幅が小さい場合、鋳肌側の面から約５０ｍｍまでの外周領域については、鋳肌から導入された金属などが含まれている可能性がある。これに対し、それ以外の領域については、鋳肌から導入された金属などがほとんど含まれておらず、実質的にシリコン融液に起因する不純物のみが含まれる。
【００３５】
より詳細に説明すると、第１の辺Ｌ１から５０ｍｍの範囲に属する領域を第１の外周領域ａ１とし、第１の辺Ｌ１と平行な第２の辺Ｌ２から５０ｍｍの範囲に属する領域を第２の外周領域ａ２とし、第１の辺Ｌ１と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する領域を第３の外周領域ａ３とし、第３の辺Ｌ３と平行な第４の辺Ｌ４から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域ａ４とし、第１乃至第４の外周領域ａ１〜ａ４のいずれにも属さない領域を中央領域ｂとした場合、多結晶シリコンウェーハ４ａにおいては、第１及び第４の外周領域ａ１，ａ４（図５において濃い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度よりも多くなり、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３のうち、第１又は第４の外周領域ａ１，ａ４と重複しない部分（図５において薄い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度と実質的に等しくなる。その結果、第１及び第４の外周領域ａ１，ａ４におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短くなり、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しくなる。
【００３６】
一方、多結晶シリコンウェーハ４ｂにおいては、第１の外周領域ａ１（図５において濃い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度よりも多くなり、第２乃至第４の外周領域ａ２〜ａ４の金属濃度のうち、前記第１の外周領域ａ１と重複しない部分（図５において薄い網掛けをした部分）は中央領域ｂの金属濃度と実質的に等しくなる。その結果、第１の外周領域ａ１におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短くなり、第２乃至第４の外周領域ａ２〜ａ４におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しくなる。
【００３７】
そして、中央領域ｂについては、鋳肌から導入された金属などがほとんど含まれないことから、高純度のシリコン材料Ｓを使用する、さらには、原料投入配管１３や加熱手段１９を被覆部で覆うなどの対策を施すことにより、ライフタイムを３０μｓ以上とすることができる。
【００３８】
中央領域ｂにおけるキャリアのライフタイムが３０μｓ以上であり、且つ、１辺又は２辺が鋳肌側となる多結晶シリコンウェーハ４においては、ライフタイムが３０μｓ以上である領域が全体の１／３以上であれば、一般に高効率と呼ばれる１６％以上の変換効率を確保することができる。上述の通り、鋳肌からの汚染は最大で５０ｍｍ程度であることを考慮すると、多結晶シリコンウェーハ４の一辺の長さは、１１８ｍｍ以上である必要がある。換言すれば、一辺の長さが１１８ｍｍ未満であると、多結晶シリコンウェーハ４ａのように２辺が鋳肌からの汚染を受けている場合、汚染を受けていない残りの領域が全体の１／３未満となってしまい、１６％以上の変換効率を確保することが困難となる。一辺の長さが１１８ｍｍ未満であっても、多結晶シリコンウェーハ４ｂのように１辺のみが鋳肌からの汚染を受けている場合には、汚染を受けていない残りの領域を全体の１／３以上とすることが可能であるが、この場合、１本の多結晶シリコンインゴット１から取り出せる高品質な多結晶シリコンウェーハ４の枚数が非常に少なくなってしまうため、好ましくない。また、鋳肌面の除去幅を大きくすれば、汚染を受けていない残りの領域を全体の１／３以上とすることが可能であるが、この場合は生産効率が低下してしまう。
【００３９】
多結晶シリコンウェーハ４の一辺の長さの上限については特に限定されず、一辺の長さが大きくなるほど中央領域ｂの占める割合が増大することから、変換効率も高くなる。しかしながら、多結晶シリコンウェーハ４が大きすぎると、多結晶シリコンインゴット１の径も大きくなり、電磁鋳造装置１０が現実的でない大きさとなってしまう。具体的には、多結晶シリコンインゴットの断面積が２０００００ｍｍ２以下であれば、電磁鋳造方式にて困難なく鋳造可能であることから、断面をマトリクス状に４分割した場合の多結晶シリコンウェーハ４の最大サイズは、一辺が２２３ｍｍとなる。
【００４０】
図６は、多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に４分割する例を示す図である。図６に示すように、多結晶シリコンブロックをＸ方向のラインＣ４１と、Ｙ方向のラインＣ４２に沿って切断すると、同じ断面からは４枚のウェーハ４ａが切り出される。これらウェーハは、いずれも２辺が鋳肌側の辺である多結晶シリコンウェーハ４ａである。
【００４１】
ここで、多結晶シリコンブロックの断面を図５及び図６とは異なる方法で分割した場合について考察する。
【００４２】
図７（ａ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を２分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ａ）に示すように、断面を２分割した場合、得られるウェーハ４ｃはいずれも３辺が鋳肌側となってしまい、高い変換効率を得ることが困難となる。３辺が鋳肌側であっても、ウェーハサイズを大きくすれば１６％以上の変換効率を得ることは可能であるが、本発明のように、１辺又は２辺のみが鋳肌側であるウェーハよりは確実に変換効率が低下する。
【００４３】
図７（ｂ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を３分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ｂ）に示すように、断面を３分割した場合、両端のウェーハ４ｃはいずれも３辺が鋳肌側となり、中央のウェーハ４ｄは２辺が鋳肌側となる。したがって、中央のウェーハ４ｄについてはある程度高い変換効率が得られるものと期待できるが、残り２個のウェーハ４ｃの変換効率が低いため、高品位なウェーハの生産効率が低下する。しかも、多結晶シリコンインゴット１の断面が細長い形状となるため、生産性も低くなる。断面が細長くなるという問題は、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状ではなく一方向に４分割以上した場合にも同様に生じる。さらに、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に８以上に分割した場合にも生じる。
【００４４】
図７（ｃ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に９分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ｃ）に示すように、断面を９分割した場合、四隅のウェーハ４ａはいずれも２辺が鋳肌側となり、各辺の中央に位置するウェーハ４ｂはいずれも１辺が鋳肌側となり、中央のウェーハ４ｅは鋳肌側となる辺が存在しない。したがって、各ウェーハとも高い変換効率が得られるが、この場合、多結晶シリコンインゴット１の径が大きくなりすぎるという問題がある。この問題は、ウェーハサイズを小さくすれば解消するが、ウェーハサイズを小さくすると、四隅のウェーハ４ａにおいては変換効率が低下する一方で、中央のウェーハ４ｅにおいては変換効率が変化しないことから、同じインゴットから取り出されるウェーハの品質の差が大きくなりすぎるという新たな問題が生じる。
【００４５】
図７（ｄ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を分割しない場合に得られるウェーハの状態を示す図である。この場合、得られるウェーハ４ｆの４辺が鋳肌側となるため、高い変換効率を得ることが困難となる。しかも、多結晶シリコンインゴット１を断面方向に分割しないため、生産効率も非常に低くなる。
【００４６】
これらに対し、本発明のように、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に４分割又は６分割すれば、図７（ａ）〜（ｄ）を用いて説明した各種の問題は生じず、変換効率の高いウェーハ４を効率よく生産することが可能となる。
【００４７】
そして、多結晶シリコンインゴット１の断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一辺の長さが１１８ｍｍ以上の多結晶シリコンウェーハ４を切り出し、その中央領域ｂにおけるキャリアのライフタイムを３０μｓ以上とすれば、１６％以上の高い変換効率を得ることが可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
例えば、本発明による多結晶シリコンウェーハが正方形であることは必須でなく、四角形であれば例えば長方形であっても構わない。
【実施例１】
【００５０】
図２に示した構造を有する電磁鋳造装置を用い、断面が５０５×３４５ｍｍ、長さが７０００ｍｍの多結晶シリコンインゴットＡ０を育成した。使用した電磁鋳造装置は、原料投入配管及び加熱手段の表面に被覆部が設けられており、これによってシリコン融液への金属汚染が防止されている。原料投入配管の被覆部にはシリコンゴムを用い、加熱手段の被覆部にはシリコンを用いた。また、炉内のガスの流れを制御することにより、鋳肌からの金属汚染を低減させた。
【００５１】
次に、得られた多結晶シリコンインゴットＡ０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Ａ１に対し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ライフタイムは、ヨウ素をウェーハ表面に塗布する表面パッシベーション法を用いて測定した。ウェーハＡ１は、四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。
【００５２】
一方、原料投入配管及び加熱手段の表面に被覆部が設けられていない電磁鋳造装置を用いて、上記と同じサイズの多結晶シリコンインゴットＢ０を育成し、上記と同一の方法で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Ｂ１に対し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ウェーハＢ１も四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。
【００５３】
測定の結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に示すように、実施例によるウェーハＡ１においては、外周領域よりも中央領域のライフタイムが長く、且つ、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上であった。これに対し、比較例によるウェーハＢ１においては、外周領域と中央領域のライフタイムにほとんど差がなく、いずれもライフタイムが非常に短かった。
【実施例２】
【００５６】
上述した多結晶シリコンインゴットＡ０の別の位置からウェーハＡ２を切り出し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ウェーハＡ２も、四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。さらに、当該ウェーハＡ２及び実施例１で用いたウェーハＡ１，Ｂ１の光電変換効率をライフタイムマップから算出した。結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
表２に示すように、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上であるウェーハＡ１においては、変換効率が１６％以上であったのに対し、中央領域のライフタイムが３０μｓに僅かに足りないウェーハＡ２においては、変換効率が１６％に僅かに届かず、１５．９％であった。また、比較例によるウェーハＢ１においては、変換効率が１５．４％と低かった。これにより、サイズが１５６ｍｍ角であり、２辺が鋳肌側である多結晶シリコンウェーハにおいて、１６％以上の変換効率を得るためには、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上必要であることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
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
Ｓ シリコン材料
Ｓ０ シリコン融液
ａ１〜ａ４ 外周領域
ｂ 中央領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコンウェーハ及びその製造方法に関し、特に、太陽光発電パネル用として好適な四角形の多結晶シリコンウェーハ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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１５６１６６号公報
【特許文献２】特開２００９−９９７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
太陽光発電パネルの変換効率を低下させる主要因は、多結晶シリコンインゴットへの汚染物質の混入である。代表的な汚染物質は鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）などの重金属であり、その混入経路としては、シリコン融液からの汚染と、固化した多結晶シリコンインゴットの表面（いわゆる鋳肌）からの汚染が挙げられる。シリコン融液からの汚染は、インゴットの断面にほぼ均一に現れる一方、鋳肌からの汚染は、インゴットの表層部分にのみ現れる。したがって、インゴット断面の中央領域に現れる汚染はシリコン融液に起因するものである。一方、インゴットの表層部分に現れる汚染は、シリコン融液に起因するものと鋳肌からの汚染に起因するものが混在している。
【０００７】
シリコン融液からの汚染を低減するためには、純度の高い多結晶シリコン塊を使用することが最も有効である。しかしながら、本発明者らの研究によれば、純度の高い多結晶シリコン塊を使用しても、インゴット断面の中央領域に現れる汚染を十分に低減することはできず、電磁鋳造装置自体に改良を加える必要があることを見いだした。
【０００８】
これに対し、鋳肌からの汚染を十分に低減することは困難である。鋳肌からの汚染を低減させる方法としては、チャンバー内のガスの流れを制御するなどの方法が挙げられるが、これらの対策を十分に施しても、インゴットの表層部分に現れる汚染は容易に低減しない。したがって、純度の高い多結晶シリコン塊を使用し、且つ、電磁鋳造装置に改良を加えると、インゴット断面の中央領域においては相対的に汚染が少なくなり、インゴットの表層部分においては相対的に汚染が多くなる。
【０００９】
このため、汚染の少ない高品位な多結晶シリコンインゴットを鋳造するためには、インゴットの径（一辺の長さ）を大型化することによって、インゴット断面の中央領域の面積を稼ぐことが有効であると考えられる。しかしながら、インゴットの径をあまりに大型化することは現実的でないため、現実的な径に押さえつつ、インゴットから切り出された多結晶シリコンウェーハの汚染をより低減することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、このような観点から鋭意研究を進めた結果、多結晶シリコンインゴットの断面を四角形とし、その断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多結晶シリコンウェーハを取り出せば、１枚のウェーハに含まれるインゴットの表層領域は、最大でもウェーハの２辺となり、全体として汚染レベルを抑えられることを見いだした。また、鋳肌からの汚染は、インゴットの表面から５０ｍｍ以内に留まること、さらに、キャリアのライフタイムが３０μｓ以上である領域が全体の１／３以上であれば、一般に高効率と呼ばれる１６％以上の変換効率を確保でき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。
【００１１】
本発明による多結晶シリコンウェーハは、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、第１の辺から５０ｍｍの範囲に属する第１の外周領域と、前記第１の辺と平行な第２の辺から５０ｍｍの範囲に属する第２の外周領域と、前記第１の辺と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する第３の外周領域と、前記第３の辺と平行な第４の辺から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域と、前記第１乃至第４の外周領域のいずれにも属さない中央領域と、を含み、前記第１の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短く、前記第２及び第３の外周領域のうち、前記第１又は第４の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しく、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムは、表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、断面が四角形である多結晶シリコンインゴットの断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多結晶シリコンウェーハを取り出すことができるとともに、キャリアのライフタイムが３０μｓ以上である領域を全体の１／３以上とすることができる。これにより、１６％以上の変換効率を確保することが可能となる。
【００１３】
本発明において、前記第４の外周領域のうち、前記第１の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短くてもかまわないし、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しくても構わない。前者の多結晶シリコンウェーハは、多結晶シリコンインゴットの断面を４分割した場合、あるいは、６分割した場合の四隅の位置から取り出すことができる。一方、後者の多結晶シリコンウェーハは、多結晶シリコンインゴットの断面を６分割した場合の四隅以外の位置から取り出すことができる。
【００１４】
本発明において、前記主面の一辺が２２３ｍｍ以下であることが好ましい。これによれば、多結晶シリコンインゴットの断面積を２０００００ｍｍ２以下に抑えることができることから、電磁鋳造装置の著しい大型化を防止することが可能となる。
【００１５】
本発明による多結晶シリコンウェーハの製造方法は、電磁鋳造法によって断面が四角形の多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造する工程と、前記多結晶シリコンインゴットを成長方向に分割するとともに、前記断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多結晶シリコンブロックを取り出す工程と、前記多結晶シリコンブロックを成長方向に対して垂直にスライスすることによって、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハを取り出す工程と、を備え、前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、原料の投入口となる上方開口部と前記多結晶シリコンインゴットの取り出し口となる下方開口部を有する無底ルツボと、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を投入するための原料投入配管とを用い、前記原料投入配管は、金属からなる本体部と、前記本体部と投入される原料との接触を防止するための被覆部とを備え、これにより、前記多結晶シリコンウェーハの各辺から５０ｍｍ以上離れた中央領域におけるキャリアのライフタイムを表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上とすることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、原料投入配管に被覆部を設けていることから、原料投入配管の本体部を構成する金属と原料との接触が防止される。これにより、シリコン融液の汚染が低減されることから、１６％以上の変換効率を有する多結晶シリコンウェーハを製造することが可能となる。
【００１７】
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を加熱するための加熱手段をさらに用い、前記加熱手段の表面には金属材料の露出を防止する被覆部が設けられていることが好ましい。これによれば、シリコン融液の汚染がより低減されることから、より高い変換効率を有する多結晶シリコンウェーハを製造することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、非常に大型の電磁鋳造装置を用いることなく、１６％以上の変換効率を有する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】
【００１９】
【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】多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に６分割する例を示す図である。
【図６】多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に４分割する例を示す図である。
【図７】多結晶シリコンブロックの断面を図５及び図６とは異なる方法で分割する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。鋳肌から導入された金属などの不純物は、インゴット１の中央に向かって拡散するが、その距離は最大で５０ｍｍである。したがって、鋳肌面の除去幅が小さい場合、鋳肌側の面から約５０ｍｍまでの外周領域については、鋳肌から導入された金属などが含まれている可能性がある。これに対し、それ以外の領域については、鋳肌から導入された金属などがほとんど含まれておらず、実質的にシリコン融液に起因する不純物のみが含まれる。
【００３５】
より詳細に説明すると、第１の辺Ｌ１から５０ｍｍの範囲に属する領域を第１の外周領域ａ１とし、第１の辺Ｌ１と平行な第２の辺Ｌ２から５０ｍｍの範囲に属する領域を第２の外周領域ａ２とし、第１の辺Ｌ１と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する領域を第３の外周領域ａ３とし、第３の辺Ｌ３と平行な第４の辺Ｌ４から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域ａ４とし、第１乃至第４の外周領域ａ１〜ａ４のいずれにも属さない領域を中央領域ｂとした場合、多結晶シリコンウェーハ４ａにおいては、第１及び第４の外周領域ａ１，ａ４（図５において濃い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度よりも多くなり、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３のうち、第１又は第４の外周領域ａ１，ａ４と重複しない部分（図５において薄い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度と実質的に等しくなる。その結果、第１及び第４の外周領域ａ１，ａ４におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短くなり、第２及び第３の外周領域ａ２，ａ３におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しくなる。
【００３６】
一方、多結晶シリコンウェーハ４ｂにおいては、第１の外周領域ａ１（図５において濃い網掛けをした部分）の金属濃度は中央領域ｂの金属濃度よりも多くなり、第２乃至第４の外周領域ａ２〜ａ４の金属濃度のうち、前記第１の外周領域ａ１と重複しない部分（図５において薄い網掛けをした部分）は中央領域ｂの金属濃度と実質的に等しくなる。その結果、第１の外周領域ａ１におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムよりも短くなり、第２乃至第４の外周領域ａ２〜ａ４におけるライフタイムは、中央領域ｂにおけるライフタイムと実質的に等しくなる。
【００３７】
そして、中央領域ｂについては、鋳肌から導入された金属などがほとんど含まれないことから、高純度のシリコン材料Ｓを使用する、さらには、原料投入配管１３や加熱手段１９を被覆部で覆うなどの対策を施すことにより、ライフタイムを３０μｓ以上とすることができる。
【００３８】
中央領域ｂにおけるキャリアのライフタイムが３０μｓ以上であり、且つ、１辺又は２辺が鋳肌側となる多結晶シリコンウェーハ４においては、ライフタイムが３０μｓ以上である領域が全体の１／３以上であれば、一般に高効率と呼ばれる１６％以上の変換効率を確保することができる。上述の通り、鋳肌からの汚染は最大で５０ｍｍ程度であることを考慮すると、多結晶シリコンウェーハ４の一辺の長さは、１１８ｍｍ以上である必要がある。換言すれば、一辺の長さが１１８ｍｍ未満であると、多結晶シリコンウェーハ４ａのように２辺が鋳肌からの汚染を受けている場合、汚染を受けていない残りの領域が全体の１／３未満となってしまい、１６％以上の変換効率を確保することが困難となる。一辺の長さが１１８ｍｍ未満であっても、多結晶シリコンウェーハ４ｂのように１辺のみが鋳肌からの汚染を受けている場合には、汚染を受けていない残りの領域を全体の１／３以上とすることが可能であるが、この場合、１本の多結晶シリコンインゴット１から取り出せる高品質な多結晶シリコンウェーハ４の枚数が非常に少なくなってしまうため、好ましくない。また、鋳肌面の除去幅を大きくすれば、汚染を受けていない残りの領域を全体の１／３以上とすることが可能であるが、この場合は生産効率が低下してしまう。
【００３９】
多結晶シリコンウェーハ４の一辺の長さの上限については特に限定されず、一辺の長さが大きくなるほど中央領域ｂの占める割合が増大することから、変換効率も高くなる。しかしながら、多結晶シリコンウェーハ４が大きすぎると、多結晶シリコンインゴット１の径も大きくなり、電磁鋳造装置１０が現実的でない大きさとなってしまう。具体的には、多結晶シリコンインゴットの断面積が２０００００ｍｍ２以下であれば、電磁鋳造方式にて困難なく鋳造可能であることから、断面をマトリクス状に４分割した場合の多結晶シリコンウェーハ４の最大サイズは、一辺が２２３ｍｍとなる。
【００４０】
図６は、多結晶シリコンブロックの断面をマトリクス状に４分割する例を示す図である。図６に示すように、多結晶シリコンブロックをＸ方向のラインＣ４１と、Ｙ方向のラインＣ４２に沿って切断すると、同じ断面からは４枚のウェーハ４ａが切り出される。これらウェーハは、いずれも２辺が鋳肌側の辺である多結晶シリコンウェーハ４ａである。
【００４１】
ここで、多結晶シリコンブロックの断面を図５及び図６とは異なる方法で分割した場合について考察する。
【００４２】
図７（ａ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を２分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ａ）に示すように、断面を２分割した場合、得られるウェーハ４ｃはいずれも３辺が鋳肌側となってしまい、高い変換効率を得ることが困難となる。３辺が鋳肌側であっても、ウェーハサイズを大きくすれば１６％以上の変換効率を得ることは可能であるが、本発明のように、１辺又は２辺のみが鋳肌側であるウェーハよりは確実に変換効率が低下する。
【００４３】
図７（ｂ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を３分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ｂ）に示すように、断面を３分割した場合、両端のウェーハ４ｃはいずれも３辺が鋳肌側となり、中央のウェーハ４ｄは２辺が鋳肌側となる。したがって、中央のウェーハ４ｄについてはある程度高い変換効率が得られるものと期待できるが、残り２個のウェーハ４ｃの変換効率が低いため、高品位なウェーハの生産効率が低下する。しかも、多結晶シリコンインゴット１の断面が細長い形状となるため、生産性も低くなる。断面が細長くなるという問題は、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状ではなく一方向に４分割以上した場合にも同様に生じる。さらに、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に８以上に分割した場合にも生じる。
【００４４】
図７（ｃ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に９分割することによって得られるウェーハの状態を示す図である。図７（ｃ）に示すように、断面を９分割した場合、四隅のウェーハ４ａはいずれも２辺が鋳肌側となり、各辺の中央に位置するウェーハ４ｂはいずれも１辺が鋳肌側となり、中央のウェーハ４ｅは鋳肌側となる辺が存在しない。したがって、各ウェーハとも高い変換効率が得られるが、この場合、多結晶シリコンインゴット１の径が大きくなりすぎるという問題がある。この問題は、ウェーハサイズを小さくすれば解消するが、ウェーハサイズを小さくすると、四隅のウェーハ４ａにおいては変換効率が低下する一方で、中央のウェーハ４ｅにおいては変換効率が変化しないことから、同じインゴットから取り出されるウェーハの品質の差が大きくなりすぎるという新たな問題が生じる。
【００４５】
図７（ｄ）は、多結晶シリコンインゴット１の断面を分割しない場合に得られるウェーハの状態を示す図である。この場合、得られるウェーハ４ｆの４辺が鋳肌側となるため、高い変換効率を得ることが困難となる。しかも、多結晶シリコンインゴット１を断面方向に分割しないため、生産効率も非常に低くなる。
【００４６】
これらに対し、本発明のように、多結晶シリコンインゴット１の断面をマトリクス状に４分割又は６分割すれば、図７（ａ）〜（ｄ）を用いて説明した各種の問題は生じず、変換効率の高いウェーハ４を効率よく生産することが可能となる。
【００４７】
そして、多結晶シリコンインゴット１の断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一辺の長さが１１８ｍｍ以上の多結晶シリコンウェーハ４を切り出し、その中央領域ｂにおけるキャリアのライフタイムを３０μｓ以上とすれば、１６％以上の高い変換効率を得ることが可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
例えば、本発明による多結晶シリコンウェーハが正方形であることは必須でなく、四角形であれば例えば長方形であっても構わない。
【実施例１】
【００５０】
図２に示した構造を有する電磁鋳造装置を用い、断面が５０５×３４５ｍｍ、長さが７０００ｍｍの多結晶シリコンインゴットＡ０を育成した。使用した電磁鋳造装置は、原料投入配管及び加熱手段の表面に被覆部が設けられており、これによってシリコン融液への金属汚染が防止されている。原料投入配管の被覆部にはシリコンゴムを用い、加熱手段の被覆部にはシリコンを用いた。また、炉内のガスの流れを制御することにより、鋳肌からの金属汚染を低減させた。
【００５１】
次に、得られた多結晶シリコンインゴットＡ０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Ａ１に対し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ライフタイムは、ヨウ素をウェーハ表面に塗布する表面パッシベーション法を用いて測定した。ウェーハＡ１は、四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。
【００５２】
一方、原料投入配管及び加熱手段の表面に被覆部が設けられていない電磁鋳造装置を用いて、上記と同じサイズの多結晶シリコンインゴットＢ０を育成し、上記と同一の方法で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Ｂ１に対し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ウェーハＢ１も四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。
【００５３】
測定の結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
【００５５】
表１に示すように、実施例によるウェーハＡ１においては、外周領域よりも中央領域のライフタイムが長く、且つ、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上であった。これに対し、比較例によるウェーハＢ１においては、外周領域と中央領域のライフタイムにほとんど差がなく、いずれもライフタイムが非常に短かった。
【実施例２】
【００５６】
上述した多結晶シリコンインゴットＡ０の別の位置からウェーハＡ２を切り出し、キャリアのライフタイムの面内分布を測定した。ウェーハＡ２も、四隅の位置から取り出したウェーハであり、したがって２辺が鋳肌側である。さらに、当該ウェーハＡ２及び実施例１で用いたウェーハＡ１，Ｂ１の光電変換効率をライフタイムマップから算出した。結果を表２に示す。
【００５７】
【表２】
【００５８】
表２に示すように、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上であるウェーハＡ１においては、変換効率が１６％以上であったのに対し、中央領域のライフタイムが３０μｓに僅かに足りないウェーハＡ２においては、変換効率が１６％に僅かに届かず、１５．９％であった。また、比較例によるウェーハＢ１においては、変換効率が１５．４％と低かった。これにより、サイズが１５６ｍｍ角であり、２辺が鋳肌側である多結晶シリコンウェーハにおいて、１６％以上の変換効率を得るためには、中央領域のライフタイムが３０μｓ以上必要であることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
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
Ｓ シリコン材料
Ｓ０ シリコン融液
ａ１〜ａ４ 外周領域
ｂ 中央領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、
第１の辺から５０ｍｍの範囲に属する第１の外周領域と、
前記第１の辺と平行な第２の辺から５０ｍｍの範囲に属する第２の外周領域と、
前記第１の辺と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する第３の外周領域と、
前記第３の辺と平行な第４の辺から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域と、
前記第１乃至第４の外周領域のいずれにも属さない中央領域と、を含み、
前記第１の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短く、
前記第２及び第３の外周領域のうち、前記第１又は第４の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しく、
前記中央領域におけるキャリアのライフタイムは、表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上であることを特徴とする多結晶シリコンウェーハ。
【請求項２】
前記第４の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項３】
前記第４の外周領域のうち、前記第１の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項４】
前記主面の一辺が２２３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項５】
電磁鋳造法によって断面が四角形の多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造する工程と、
前記多結晶シリコンインゴットを成長方向に分割するとともに、前記断面を４分割又は６分割することによって多結晶シリコンブロックを取り出す工程と、
前記多結晶シリコンブロックを成長方向に対して垂直にスライスすることによって、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハを取り出す工程と、を備え、
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、原料の投入口となる上方開口部と前記多結晶シリコンインゴットの取り出し口となる下方開口部を有する無底ルツボと、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を投入するための原料投入配管とを用い、
前記原料投入配管は、金属からなる本体部と、前記本体部と投入される原料との接触を防止するための被覆部とを備え、
これにより、前記多結晶シリコンウェーハの各辺から５０ｍｍ以上離れた中央領域におけるキャリアのライフタイムを表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上とすることを特徴とする多結晶シリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を加熱するための加熱手段をさらに用い、
前記加熱手段の表面には金属材料の露出を防止する被覆部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の多結晶シリコンウェーハの製造方法。
【請求項１】
主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハであって、
第１の辺から５０ｍｍの範囲に属する第１の外周領域と、
前記第１の辺と平行な第２の辺から５０ｍｍの範囲に属する第２の外周領域と、
前記第１の辺と垂直な第３の辺から５０ｍｍの範囲に属する第３の外周領域と、
前記第３の辺と平行な第４の辺から５０ｍｍの範囲に属する第４の外周領域と、
前記第１乃至第４の外周領域のいずれにも属さない中央領域と、を含み、
前記第１の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短く、
前記第２及び第３の外周領域のうち、前記第１又は第４の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しく、
前記中央領域におけるキャリアのライフタイムは、表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上であることを特徴とする多結晶シリコンウェーハ。
【請求項２】
前記第４の外周領域におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムよりも短いことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項３】
前記第４の外周領域のうち、前記第１の外周領域と重複しない部分におけるキャリアのライフタイムは、前記中央領域におけるキャリアのライフタイムと実質的に等しいことを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項４】
前記主面の一辺が２２３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンウェーハ。
【請求項５】
電磁鋳造法によって断面が四角形の多結晶シリコンインゴットを連続的に鋳造する工程と、
前記多結晶シリコンインゴットを成長方向に分割するとともに、前記断面を４分割又は６分割することによって多結晶シリコンブロックを取り出す工程と、
前記多結晶シリコンブロックを成長方向に対して垂直にスライスすることによって、主面の一辺が１１８ｍｍ以上の四角形である多結晶シリコンウェーハを取り出す工程と、を備え、
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、原料の投入口となる上方開口部と前記多結晶シリコンインゴットの取り出し口となる下方開口部を有する無底ルツボと、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を投入するための原料投入配管とを用い、
前記原料投入配管は、金属からなる本体部と、前記本体部と投入される原料との接触を防止するための被覆部とを備え、
これにより、前記多結晶シリコンウェーハの各辺から５０ｍｍ以上離れた中央領域におけるキャリアのライフタイムを表面パッシベーション後のライフタイム値で３０μｓ以上とすることを特徴とする多結晶シリコンウェーハの製造方法。
【請求項６】
前記多結晶シリコンインゴットを鋳造する工程においては、前記無底ルツボの上方開口部に設けられ、原料を加熱するための加熱手段をさらに用い、
前記加熱手段の表面には金属材料の露出を防止する被覆部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の多結晶シリコンウェーハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−６２２２７（Ｐ２０１２−６２２２７Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０８４７２（Ｐ２０１０−２０８４７２）
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１６日（２０１０．９．１６）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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