結晶シリコンインゴットの製造方法
【課題】結晶シリコンインゴットの製造方法が提供される。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型内部にバリア層を配置し、バリア層の上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、鋳型を加熱してシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。鋳型は、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで加熱される。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型内部にバリア層を配置し、バリア層の上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、鋳型を加熱してシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。鋳型は、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで加熱される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、結晶シリコンインゴットの製造方法に関し、特に、欠陥密度が低く、鋳型（例えば、るつぼ）からの汚染を最小限にする結晶シリコンインゴットの製造方法、及び結晶シリコンインゴットの製造において用いられるシリコン種のリサイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの太陽電池は、光の一部を吸収すると光起電力（ＰＶ）効果を生じる。シリコンは、地上で二番目に入手し易い化学元素であり、かつ低価格で、毒性がなく、しかも安定性が高いという利点を有するので、太陽電池用の原材料は、大抵がシリコンを含有している。シリコンはまた、半導体産業でも広く用いられる。
【０００３】
太陽電池用シリコン材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、及びアモルファスシリコンなどがある。一般に、多結晶シリコンが、従来の成長法（例えば、キロプロス法及びチョクラルスキー（ＣＺ）法並びに浮遊帯域法（ＦＺ））で製造された単結晶シリコンに比べて低価格であるという理由で選択される。
【０００４】
一般に、多結晶シリコンを用いる太陽電池は、既知の技術を用いて製造される。この技術による製造方法は、簡単に言えば、最初に高純度のシリコン融液を鋳型（例えば、石英るつぼ）に入れ、次に鋳型を冷やしてシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得る。そして、シリコンインゴットを太陽電池用途のウェハサイズの薄片に切断する。
【０００５】
多結晶シリコンインゴットの製造工程中に、シリコン粒子間に欠陥が存在した場合、それは太陽電池の変換効率を低下させる。例えば、転位、粒界などの欠陥は、再結合の中心を形成して少数キャリア（例えば、電子機器）の寿命を短くする可能性が高い。言い換えると、多結晶シリコン内の欠陥密度は、構成要素の構造、特性、及びキャリアの輸送速度に大きな影響を及ぼす。このため、従来技術は、低い欠陥密度又は害の無い欠陥（例えば、双晶境界等）を有する多結晶シリコンインゴットの製造に、主として焦点を合わせている。
【０００６】
しかし、周知の従来技術では、鋳型と接触する結晶シリコンインゴットの縁部への、るつぼからの汚染を低減させる技術を採用していなかったので、汚染を受けた部分を廃棄物として除去する必要があった。
【０００７】
また、多くの周知の結晶シリコンインゴット製造方法では、単結晶のシリコン種を使用する。単結晶のシリコン種は、製造原価全体のうち高い割合を占める。太陽電池産業においても、単結晶シリコンの代わりに欠陥密度の低い多結晶シリコンを種として用いる従来技術は知られていないが、これによって結晶シリコンインゴットの製造において使用される種のコストを削減することができる。
【０００８】
更に、低い欠陥密度又は害の無い欠陥を有するシリコンインゴットの既知の製造方法によると、製造原価が高くなることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の課題及び他の課題を解決しようとするものであり、以下に例示する本発明の実施形態により、欠陥密度の低い結晶シリコンインゴットを製造し、鋳型（例えば、るつぼ）からの汚染を最小限にする一つの方法が提供される。
【００１０】
また、結晶シリコンインゴットの製造において、使用されたシリコン種をリサイクルして再使用する別の方法が提供される。
【００１１】
さらに、低い欠陥密度又は害の無い欠陥を有する結晶シリコンインゴットの製造原価を削減する別の方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型の内部にバリア層を配置し、バリア層上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【００１３】
別の実施形態では、結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、多層構造体のバリアが鋳型の底部と接触するようにして鋳型の内部に多層構造体を配置することを含む。多層構造体は、鋳型の底部に配置されたバリア層と、バリア層に接触する少なくとも１層のシリコン種結晶層とを含む。この方法は更に、シリコン種結晶層の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶層が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【００１４】
一実施形態では、バリア層は、１４００℃より高い融点を有する材料から製造してもよい。この材料は、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、他のセラミック材料、又は前記化合物の混合物にすることができる。
【００１５】
一実施形態では、１つ以上のシリコン種結晶には、１つ以上の単結晶のシリコン種結晶及び／又は１つ以上の多結晶のシリコン種結晶が含まれる。
【００１６】
一実施形態では、シリコン種結晶層は、１つ以上のシリコン種結晶を含む。
【００１７】
一実施形態では、シリコン種結晶層及びシリコン種結晶は、欠陥密度が低いという特性を有する。欠陥密度特性が低いとは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。
【００１８】
一実施形態では、バリア層での不純物の拡散性（すなわち、拡散係数）は、鋳型での不純物の拡散性よりも低い。
【００１９】
別の実施形態では、結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型の内部に少なくとも１つのシリコン種結晶を配置することを含み、各シリコン種結晶は、少なくとも１つのシリコン結晶粒を含み、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有する。この方法は更に、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【発明の効果】
【００２０】
これにより、従来の製造方法に比べて、本発明の一実施形態に係る製造方法によれば、欠陥密度が低く、鋳型（例えば、るつぼ）による汚染が最小限にされた結晶シリコンインゴットを製造することができる。この方法は、更に、シリコン種結晶の再使用及びリサイクルを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図２は、シリコン種結晶を用いて製造されたシリコンインゴット及びシリコン種結晶を用いずに製造された別のシリコンインゴットのそれぞれについて示すグラフである。
【図３】図３は、第２の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図４は、第３の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に例示する実施形態の更に他の態様、特徴及び利点は、例示した実施形態を実施するために検討された最良の形態を含め、以下の記述から、いくつかの特定の実施形態などを説明することにより容易に明らかになる。例示した実施形態は、他の異なる実施形態を実施する余地があり、それらのいくつかの詳細は、例示した実施形態の趣旨及び範囲から逸脱しない種々の明白な点において変更することが可能である。したがって、図面及び説明は、実施例と考えられるべきものであり、これに限定されるものではない。
【００２３】
例示した実施形態は、例として説明されたものであり、これに限定して説明されたものではない。添付の図面の図において、同じ符号は、類似の構成要素を表すものとする。
【００２４】
図１Ａ〜図１Ｅは、第１の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図の一例を示す。
【００２５】
図１Ａに示されるように、第１の実施形態によれば、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に鋳型１０を供給することを含む。鋳型１０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適するものとする。本実施例では、鋳型１０は石英るつぼであってもよい。
【００２６】
この方法は更に、鋳型１０の内部にバリア層１２と１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂとを配置することを含み、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、バリア層１２の上に配置される。１つ以上のシリコン種結晶には、単結晶（単結晶性の）シリコン種結晶（例えば、図１Ａの１４ｂ）が含まれてもよく、これは、例えば、単結晶シリコンインゴット、テール部原料、再生シリコンウェハ等から切り出される。１つ以上のシリコン種結晶には、多結晶（多結晶性の）シリコン種結晶（例えば、図１Ａの１４ａ）が含まれてもよく、これは、例えば、多結晶シリコンインゴットから切り出される。１つ以上のシリコン種結晶は、１つ以上の単結晶シリコン種結晶１４ｂと１つ以上の多結晶シリコン種結晶１４ａとの組み合わせを含んでもよい。一実施形態において、１つ以上のシリコン種結晶が、バリア層１２を完全に覆う。例えば、図１Ａに示されるように、単結晶シリコン種結晶１４ｂ及び多結晶シリコン種結晶１４ａを混在させて、バリア層１２を完全に覆う。
【００２７】
したがって、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０との間にバリア層１２を配置することで、シリコン種結晶及びシリコン種結晶上に配置されたシリコン原料が、鋳型１０の底部に直接触れることを防止できる。製造工程中にバリア層１２が溶融することはない。また、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへ拡散する不純物を、汚染防止のために大幅に減少させる必要がある。そのため、バリア層１２での不純物の拡散性（すなわち、拡散係数）は、鋳型１０での不純物の拡散性よりも低く設定される。一実施形態では、バリア層１２を、１４００℃より高い融点を有する材料から製造することができる。バリア層１２の材料は、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、他のセラミック材料、又は前記化合物の混合物にすることができる。更に、バリア層１２を小片状に形成して、シリコン原料を鋳型１０から切り離し、バリア層１２と鋳型１０の底面との間での接触面積を小さくし、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの不純物の拡散を低減することができる。言い換えると、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの拡散不純物を大幅に減少させることができる。また、バリア層１２を鋳型１０の底部に部分的に配置することで、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０との間に形成される空間を増やすことができ、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへ拡散する不純物を更に減少させることができる。例えば、図１Ａに示す例示の実施形態では、バリア層１２は小片状であり、鋳型１０の底部に部分的に配置され、鋳型１０の底面を完全に覆うものではない。本実施形態では、バリア層１２は、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂを支えつつ鋳型１０の底面から部分的に離隔し、より詳細には、バリア層１２は、バリア層の各小片間に、ある程度の隙間を含む。バリア層１２の小片間の隙間には、製造工程で一般的に使用される不活性ガス又は保護ガス（すなわち、窒素）を任意で充填してもよい。
【００２８】
別の例示の実施形態では、バリア層１２を高純度グラファイトプレート又は炭化ケイ素プレートを用いて、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの汚染を防止し、そしてシリコン種結晶へ拡散するバリア層１２の不純物を低減させることができる。このように、様々な形態のバリア層１２及びシリコン種結晶が、製造工程において適用可能であることが分かる。小片形状から構成されたバリア層１２は、実質的には小さな熱伝導面積を有することとなる。一方、プレート形状に構成されたバリア層１２は、大きな熱伝導面積を有する。
【００２９】
図１Ｂを参照すると、上記実施形態の方法は、鋳型１０内部でのバリア層１２上の１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの露出部分に、シリコン原料１６を配置することを含む。１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、単一の種のタイプでバリア層１２の上の位置に配置されてもよい。この位置は、連続して冷却工程が必要とされる位置に対応する。図１Ａに示す実施形態では、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂがバリア層１２を覆っており、シリコン原料１６は、これら１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの上に配置される。
【００３０】
図１Ｃを参照すると、この方法は更に、バリア層１２、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂ、及びシリコン原料１６が配置された鋳型１０をヒータ１１内に置くことと、鋳型１０を加熱してシリコン融液１７を得ることとを含む。シリコン原料１６が完全に溶融し、且つ１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂが部分的に溶融する（つまり、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂの一部が溶融してリフローする）まで加熱する間、少なくとも１つのシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、過冷却状態に保たれる。
【００３１】
図１Ｄを参照すると、この方法は、更に、方向性凝固法を実施して鋳型を冷却することを含み、それによりシリコン融液１７が、鋳型１０の底部から開口部へ向かって凝固される。図１Ｄに示されるように、シリコン融液１７と凝固したシリコンインゴット１８との間の固液界面１４’（固相と液相との間の界面）は、冷却工程の間に鋳型１０の開口部の方向に変位する。
【００３２】
最終的には、図１Ｅに示されるように、シリコン融液１７は、方向性凝固法を実施することによって完全にシリコンインゴット１８へ凝固する。シリコンインゴット１８は、シリコン結晶粒の数、シリコン種結晶の配置、及び方向性凝固法の実施に応じて、単結晶型又は多結晶型になり得る。しかし、シリコンインゴット１８が多結晶型として形成されるとしても、シリコンインゴット１８の一部は、シリコン結晶粒の成長競合に起因して、単結晶型で成長することがある。
【００３３】
従来は、シリコンインゴット１８が鋳型１０から取り出されたとき、シリコンインゴット１８の鋳型１０との接触領域は、鋳型１０で汚染されていて、その後に廃棄物として切り落とされていた。しかし、本実施形態によれば、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０の底部との間のバリア層１２を除去することで、るつぼによるシリコンインゴット１８への汚染を著しく減少させることができる。このようなバリア層１２は、バリア層１２、及び鋳型１０に直接接触していたシリコンインゴット１８の最小限の部分を切り落とすだけで除去することができる。
【００３４】
シリコン融液１７がシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの接合部に沿ってバリア層の小片間の隙間へ流れることを防ぐために、例示した実施形態では、１つ以上のバリア層の小片は、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂの接合部に対応して置かれる。
【００３５】
欠陥密度の低いシリコンインゴット１８を製造するために、本実施例では、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、欠陥密度が低いという特性を有する。低い欠陥密度とは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。エッチピット密度は、その表面に腐食性液体を塗布し、生じた孔を測定することによって求めることができ、また不純物は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて測定することができる。
【００３６】
図２は、シリコンインゴットに関するグラフであり、製造工程において欠陥密度が低い結晶シリコン種結晶を用いた場合と、用いない場合との欠陥密度（例えば、エッチピット密度）の比較を示す。グラフは、測定されたシリコンインゴットの異なる高さによる欠陥密度（エッチピット密度）を示す。
【００３７】
図２から明らかなように、第１の実施形態によって、欠陥密度が低い１つ以上の単結晶シリコン種結晶を用いて形成されたシリコンインゴットは、シリコン種結晶を用いずに形成されたシリコンインゴットよりも欠陥領域が小さい。したがって、前述の実施形態による製造方法は、高い生産性及び高品質のシリコンインゴットをもたらす。
【００３８】
図３は、第２の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図の一例を示す。
【００３９】
図３に示されるように、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に鋳型２０を供給することを含む。鋳型２０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適する。本実施例では、鋳型２０は、図１Ａと関連して説明された鋳型１０と同じである。
【００４０】
更に、多層構造体２２を供給して、鋳型２０に入れる。多層構造体２２は、バリア層２２２とシリコン種結晶層２２４とを含んでいる。バリア層２２２は、シリコン種結晶層２２４と接しており、鋳型２０の底部に配置される。コスト効率の良い生産のために、多層構造体２２は、前述の実施形態で製造されたシリコンインゴットの底部をリサイクルして再利用することで得られるものであってもよい。例えば、図１Ａ〜図１Ｅのシリコンインゴット１８では、シリコンインゴット１８の底部は、本質的にバリア層とシリコン種結晶層とを含む。そのため、先に製造されたシリコンインゴット１８の底部を切断するだけで、多層構造体２２が得られる。
【００４１】
一実施形態において、シリコン種結晶層２２４は、１つ以上のシリコン種結晶を含む。
【００４２】
更に、図３に示されるように、シリコン原料２６は、鋳型２０の内部に入れられて、シリコン種結晶層２２４の上に配置される。
【００４３】
更に、図３に示されるように、バリア層２２２、シリコン種結晶層２２４、及びシリコン原料２６が入れられた鋳型２０は、シリコン融液を得るために加熱用ヒータ１１（図１Ｃに示したヒータ１１と同じ）の内側に置かれる。加熱工程の間、シリコン種結晶層２２４は、シリコン原料２６が完全に溶解し且つ１層以上のシリコン種結晶層２２４が部分的に溶融する（すなわち、シリコン種結晶層２２４の一部が溶融してリフローする）まで過冷却状態に保たれる。
【００４４】
最終的に、方向性凝固法を用いて鋳型２０を冷却することによって、シリコン融液は、完全に凝固してシリコンインゴットを形成する。
【００４５】
シリコン種結晶層２２４の結晶構造及び欠陥密度は、上述のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂと同じであり、そしてバリア層２２２の構造及び材料もまた、上述のバリア層１２と同じである。
【００４６】
図４は、第３の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造について説明するための断面図の一例を示す。
【００４７】
図４に示されるように、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に実施形態に従って鋳型３０を供給する工程を含む。鋳型３０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適する。
【００４８】
更に、図４に示されるように、１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂを鋳型３０に入れる。少なくとも１つのシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、２つ以上のシリコン結晶粒を含む。１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、単結晶シリコンインゴット、テール部原料、再生シリコンウェハ等から切り出された、単結晶シリコン種結晶（例えば、図４の３４ｂ）にできる。１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、多結晶シリコン種結晶（例えば、図４の３４ａ）にもできる。更に、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、多結晶シリコン種結晶３４ａと単結晶シリコン種結晶３４ｂとが混合されてもよく、鋳型３０の底部を完全に覆う。例えば、図４に示されるように、多結晶シリコン種結晶３４ｂ及び単結晶シリコン種結晶３４ｂが、鋳型３０の底部を完全に覆う。
【００４９】
特に、各シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、１つ以上のシリコン粒子を含み、欠陥密度が低いという特性を有する。欠陥密度が低いとは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。エッチピット密度は、前述のように腐食性液体を用いて測定することができ、また不純物は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて測定することができる。
【００５０】
更に、図４に示されるように、シリコン原料３６は、鋳型３０の内部に入れられて、１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂの上に配置される。
【００５１】
更に、図４に示されるように、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂ及びシリコン原料３６が鋳型３０に入れられると、鋳型３０は、シリコン融液を得るために加熱工程用ヒータ１１（図１Ｃに示したヒータ１１と同じ）の内側に置かれる。加熱工程の間、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、シリコン原料３６が完全に溶解し、且つ１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂが部分的に溶融する（すなわち、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂの一部が溶融してリフローする）まで過冷却状態に保たれる。
【００５２】
最終的に、方向性凝固法で鋳型３０を冷却することで、シリコン融液は完全に凝固してシリコンインゴットになる。
【００５３】
したがって、例示の実施形態に従った製造方法により、欠陥密度が低く、製造原価が安く、るつぼからの汚染の問題が大幅に軽減された結晶シリコンインゴットが製造される。この方法では、更に、シリコン種結晶及びバリア層を再使用及びリサイクルする。
【００５４】
例示の実施形態をいくつかの実施形態及び実施に関連して説明したが、例示の実施形態は、それらに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な明白な変更及び同等のアレンジを含む。例示の実施形態の特徴は、請求項の特定の組み合わせで表されるが、これらの特徴は、いかなる組み合わせ及び順序でも設定できることが考えられる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 鋳型
１１ ヒータ
１２ バリア層
１４ａ、１４ｂ シリコン種結晶
１４’ 固液境界
１６ シリコン原料
１７ シリコン融液
１８ シリコンインゴット
２０ 鋳型
２２ 多層構造体
２２２ バリア層
２２４ シリコン種結晶層
２６ シリコン原料
３０ 鋳型
３４ａ、３４ｂ シリコン種結晶
３６ シリコン原料
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、結晶シリコンインゴットの製造方法に関し、特に、欠陥密度が低く、鋳型（例えば、るつぼ）からの汚染を最小限にする結晶シリコンインゴットの製造方法、及び結晶シリコンインゴットの製造において用いられるシリコン種のリサイクル方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの太陽電池は、光の一部を吸収すると光起電力（ＰＶ）効果を生じる。シリコンは、地上で二番目に入手し易い化学元素であり、かつ低価格で、毒性がなく、しかも安定性が高いという利点を有するので、太陽電池用の原材料は、大抵がシリコンを含有している。シリコンはまた、半導体産業でも広く用いられる。
【０００３】
太陽電池用シリコン材料としては、単結晶シリコン、多結晶シリコン、及びアモルファスシリコンなどがある。一般に、多結晶シリコンが、従来の成長法（例えば、キロプロス法及びチョクラルスキー（ＣＺ）法並びに浮遊帯域法（ＦＺ））で製造された単結晶シリコンに比べて低価格であるという理由で選択される。
【０００４】
一般に、多結晶シリコンを用いる太陽電池は、既知の技術を用いて製造される。この技術による製造方法は、簡単に言えば、最初に高純度のシリコン融液を鋳型（例えば、石英るつぼ）に入れ、次に鋳型を冷やしてシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得る。そして、シリコンインゴットを太陽電池用途のウェハサイズの薄片に切断する。
【０００５】
多結晶シリコンインゴットの製造工程中に、シリコン粒子間に欠陥が存在した場合、それは太陽電池の変換効率を低下させる。例えば、転位、粒界などの欠陥は、再結合の中心を形成して少数キャリア（例えば、電子機器）の寿命を短くする可能性が高い。言い換えると、多結晶シリコン内の欠陥密度は、構成要素の構造、特性、及びキャリアの輸送速度に大きな影響を及ぼす。このため、従来技術は、低い欠陥密度又は害の無い欠陥（例えば、双晶境界等）を有する多結晶シリコンインゴットの製造に、主として焦点を合わせている。
【０００６】
しかし、周知の従来技術では、鋳型と接触する結晶シリコンインゴットの縁部への、るつぼからの汚染を低減させる技術を採用していなかったので、汚染を受けた部分を廃棄物として除去する必要があった。
【０００７】
また、多くの周知の結晶シリコンインゴット製造方法では、単結晶のシリコン種を使用する。単結晶のシリコン種は、製造原価全体のうち高い割合を占める。太陽電池産業においても、単結晶シリコンの代わりに欠陥密度の低い多結晶シリコンを種として用いる従来技術は知られていないが、これによって結晶シリコンインゴットの製造において使用される種のコストを削減することができる。
【０００８】
更に、低い欠陥密度又は害の無い欠陥を有するシリコンインゴットの既知の製造方法によると、製造原価が高くなることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述した従来の課題及び他の課題を解決しようとするものであり、以下に例示する本発明の実施形態により、欠陥密度の低い結晶シリコンインゴットを製造し、鋳型（例えば、るつぼ）からの汚染を最小限にする一つの方法が提供される。
【００１０】
また、結晶シリコンインゴットの製造において、使用されたシリコン種をリサイクルして再使用する別の方法が提供される。
【００１１】
さらに、低い欠陥密度又は害の無い欠陥を有する結晶シリコンインゴットの製造原価を削減する別の方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型の内部にバリア層を配置し、バリア層上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【００１３】
別の実施形態では、結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、多層構造体のバリアが鋳型の底部と接触するようにして鋳型の内部に多層構造体を配置することを含む。多層構造体は、鋳型の底部に配置されたバリア層と、バリア層に接触する少なくとも１層のシリコン種結晶層とを含む。この方法は更に、シリコン種結晶層の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶層が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【００１４】
一実施形態では、バリア層は、１４００℃より高い融点を有する材料から製造してもよい。この材料は、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、他のセラミック材料、又は前記化合物の混合物にすることができる。
【００１５】
一実施形態では、１つ以上のシリコン種結晶には、１つ以上の単結晶のシリコン種結晶及び／又は１つ以上の多結晶のシリコン種結晶が含まれる。
【００１６】
一実施形態では、シリコン種結晶層は、１つ以上のシリコン種結晶を含む。
【００１７】
一実施形態では、シリコン種結晶層及びシリコン種結晶は、欠陥密度が低いという特性を有する。欠陥密度特性が低いとは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。
【００１８】
一実施形態では、バリア層での不純物の拡散性（すなわち、拡散係数）は、鋳型での不純物の拡散性よりも低い。
【００１９】
別の実施形態では、結晶シリコンインゴットの製造方法は、方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、鋳型の内部に少なくとも１つのシリコン種結晶を配置することを含み、各シリコン種結晶は、少なくとも１つのシリコン結晶粒を含み、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有する。この方法は更に、シリコン種結晶の上にシリコン原料を入れ、シリコン原料が完全に溶融し且つシリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、鋳型を方向性凝固法で冷却することでシリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含む。
【発明の効果】
【００２０】
これにより、従来の製造方法に比べて、本発明の一実施形態に係る製造方法によれば、欠陥密度が低く、鋳型（例えば、るつぼ）による汚染が最小限にされた結晶シリコンインゴットを製造することができる。この方法は、更に、シリコン種結晶の再使用及びリサイクルを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】図１Ａは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、第１の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図２は、シリコン種結晶を用いて製造されたシリコンインゴット及びシリコン種結晶を用いずに製造された別のシリコンインゴットのそれぞれについて示すグラフである。
【図３】図３は、第２の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【図４】図４は、第３の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に例示する実施形態の更に他の態様、特徴及び利点は、例示した実施形態を実施するために検討された最良の形態を含め、以下の記述から、いくつかの特定の実施形態などを説明することにより容易に明らかになる。例示した実施形態は、他の異なる実施形態を実施する余地があり、それらのいくつかの詳細は、例示した実施形態の趣旨及び範囲から逸脱しない種々の明白な点において変更することが可能である。したがって、図面及び説明は、実施例と考えられるべきものであり、これに限定されるものではない。
【００２３】
例示した実施形態は、例として説明されたものであり、これに限定して説明されたものではない。添付の図面の図において、同じ符号は、類似の構成要素を表すものとする。
【００２４】
図１Ａ〜図１Ｅは、第１の実施形態による結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図の一例を示す。
【００２５】
図１Ａに示されるように、第１の実施形態によれば、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に鋳型１０を供給することを含む。鋳型１０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適するものとする。本実施例では、鋳型１０は石英るつぼであってもよい。
【００２６】
この方法は更に、鋳型１０の内部にバリア層１２と１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂとを配置することを含み、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、バリア層１２の上に配置される。１つ以上のシリコン種結晶には、単結晶（単結晶性の）シリコン種結晶（例えば、図１Ａの１４ｂ）が含まれてもよく、これは、例えば、単結晶シリコンインゴット、テール部原料、再生シリコンウェハ等から切り出される。１つ以上のシリコン種結晶には、多結晶（多結晶性の）シリコン種結晶（例えば、図１Ａの１４ａ）が含まれてもよく、これは、例えば、多結晶シリコンインゴットから切り出される。１つ以上のシリコン種結晶は、１つ以上の単結晶シリコン種結晶１４ｂと１つ以上の多結晶シリコン種結晶１４ａとの組み合わせを含んでもよい。一実施形態において、１つ以上のシリコン種結晶が、バリア層１２を完全に覆う。例えば、図１Ａに示されるように、単結晶シリコン種結晶１４ｂ及び多結晶シリコン種結晶１４ａを混在させて、バリア層１２を完全に覆う。
【００２７】
したがって、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０との間にバリア層１２を配置することで、シリコン種結晶及びシリコン種結晶上に配置されたシリコン原料が、鋳型１０の底部に直接触れることを防止できる。製造工程中にバリア層１２が溶融することはない。また、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへ拡散する不純物を、汚染防止のために大幅に減少させる必要がある。そのため、バリア層１２での不純物の拡散性（すなわち、拡散係数）は、鋳型１０での不純物の拡散性よりも低く設定される。一実施形態では、バリア層１２を、１４００℃より高い融点を有する材料から製造することができる。バリア層１２の材料は、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、他のセラミック材料、又は前記化合物の混合物にすることができる。更に、バリア層１２を小片状に形成して、シリコン原料を鋳型１０から切り離し、バリア層１２と鋳型１０の底面との間での接触面積を小さくし、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの不純物の拡散を低減することができる。言い換えると、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの拡散不純物を大幅に減少させることができる。また、バリア層１２を鋳型１０の底部に部分的に配置することで、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０との間に形成される空間を増やすことができ、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへ拡散する不純物を更に減少させることができる。例えば、図１Ａに示す例示の実施形態では、バリア層１２は小片状であり、鋳型１０の底部に部分的に配置され、鋳型１０の底面を完全に覆うものではない。本実施形態では、バリア層１２は、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂを支えつつ鋳型１０の底面から部分的に離隔し、より詳細には、バリア層１２は、バリア層の各小片間に、ある程度の隙間を含む。バリア層１２の小片間の隙間には、製造工程で一般的に使用される不活性ガス又は保護ガス（すなわち、窒素）を任意で充填してもよい。
【００２８】
別の例示の実施形態では、バリア層１２を高純度グラファイトプレート又は炭化ケイ素プレートを用いて、バリア層１２から結晶シリコンインゴットへの汚染を防止し、そしてシリコン種結晶へ拡散するバリア層１２の不純物を低減させることができる。このように、様々な形態のバリア層１２及びシリコン種結晶が、製造工程において適用可能であることが分かる。小片形状から構成されたバリア層１２は、実質的には小さな熱伝導面積を有することとなる。一方、プレート形状に構成されたバリア層１２は、大きな熱伝導面積を有する。
【００２９】
図１Ｂを参照すると、上記実施形態の方法は、鋳型１０内部でのバリア層１２上の１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの露出部分に、シリコン原料１６を配置することを含む。１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、単一の種のタイプでバリア層１２の上の位置に配置されてもよい。この位置は、連続して冷却工程が必要とされる位置に対応する。図１Ａに示す実施形態では、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂがバリア層１２を覆っており、シリコン原料１６は、これら１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの上に配置される。
【００３０】
図１Ｃを参照すると、この方法は更に、バリア層１２、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂ、及びシリコン原料１６が配置された鋳型１０をヒータ１１内に置くことと、鋳型１０を加熱してシリコン融液１７を得ることとを含む。シリコン原料１６が完全に溶融し、且つ１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂが部分的に溶融する（つまり、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂの一部が溶融してリフローする）まで加熱する間、少なくとも１つのシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、過冷却状態に保たれる。
【００３１】
図１Ｄを参照すると、この方法は、更に、方向性凝固法を実施して鋳型を冷却することを含み、それによりシリコン融液１７が、鋳型１０の底部から開口部へ向かって凝固される。図１Ｄに示されるように、シリコン融液１７と凝固したシリコンインゴット１８との間の固液界面１４’（固相と液相との間の界面）は、冷却工程の間に鋳型１０の開口部の方向に変位する。
【００３２】
最終的には、図１Ｅに示されるように、シリコン融液１７は、方向性凝固法を実施することによって完全にシリコンインゴット１８へ凝固する。シリコンインゴット１８は、シリコン結晶粒の数、シリコン種結晶の配置、及び方向性凝固法の実施に応じて、単結晶型又は多結晶型になり得る。しかし、シリコンインゴット１８が多結晶型として形成されるとしても、シリコンインゴット１８の一部は、シリコン結晶粒の成長競合に起因して、単結晶型で成長することがある。
【００３３】
従来は、シリコンインゴット１８が鋳型１０から取り出されたとき、シリコンインゴット１８の鋳型１０との接触領域は、鋳型１０で汚染されていて、その後に廃棄物として切り落とされていた。しかし、本実施形態によれば、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂと鋳型１０の底部との間のバリア層１２を除去することで、るつぼによるシリコンインゴット１８への汚染を著しく減少させることができる。このようなバリア層１２は、バリア層１２、及び鋳型１０に直接接触していたシリコンインゴット１８の最小限の部分を切り落とすだけで除去することができる。
【００３４】
シリコン融液１７がシリコン種結晶１４ａ、１４ｂの接合部に沿ってバリア層の小片間の隙間へ流れることを防ぐために、例示した実施形態では、１つ以上のバリア層の小片は、シリコン種結晶１４ａ、１４ｂの接合部に対応して置かれる。
【００３５】
欠陥密度の低いシリコンインゴット１８を製造するために、本実施例では、１つ以上のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂは、欠陥密度が低いという特性を有する。低い欠陥密度とは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。エッチピット密度は、その表面に腐食性液体を塗布し、生じた孔を測定することによって求めることができ、また不純物は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて測定することができる。
【００３６】
図２は、シリコンインゴットに関するグラフであり、製造工程において欠陥密度が低い結晶シリコン種結晶を用いた場合と、用いない場合との欠陥密度（例えば、エッチピット密度）の比較を示す。グラフは、測定されたシリコンインゴットの異なる高さによる欠陥密度（エッチピット密度）を示す。
【００３７】
図２から明らかなように、第１の実施形態によって、欠陥密度が低い１つ以上の単結晶シリコン種結晶を用いて形成されたシリコンインゴットは、シリコン種結晶を用いずに形成されたシリコンインゴットよりも欠陥領域が小さい。したがって、前述の実施形態による製造方法は、高い生産性及び高品質のシリコンインゴットをもたらす。
【００３８】
図３は、第２の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造方法を説明するための断面図の一例を示す。
【００３９】
図３に示されるように、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に鋳型２０を供給することを含む。鋳型２０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適する。本実施例では、鋳型２０は、図１Ａと関連して説明された鋳型１０と同じである。
【００４０】
更に、多層構造体２２を供給して、鋳型２０に入れる。多層構造体２２は、バリア層２２２とシリコン種結晶層２２４とを含んでいる。バリア層２２２は、シリコン種結晶層２２４と接しており、鋳型２０の底部に配置される。コスト効率の良い生産のために、多層構造体２２は、前述の実施形態で製造されたシリコンインゴットの底部をリサイクルして再利用することで得られるものであってもよい。例えば、図１Ａ〜図１Ｅのシリコンインゴット１８では、シリコンインゴット１８の底部は、本質的にバリア層とシリコン種結晶層とを含む。そのため、先に製造されたシリコンインゴット１８の底部を切断するだけで、多層構造体２２が得られる。
【００４１】
一実施形態において、シリコン種結晶層２２４は、１つ以上のシリコン種結晶を含む。
【００４２】
更に、図３に示されるように、シリコン原料２６は、鋳型２０の内部に入れられて、シリコン種結晶層２２４の上に配置される。
【００４３】
更に、図３に示されるように、バリア層２２２、シリコン種結晶層２２４、及びシリコン原料２６が入れられた鋳型２０は、シリコン融液を得るために加熱用ヒータ１１（図１Ｃに示したヒータ１１と同じ）の内側に置かれる。加熱工程の間、シリコン種結晶層２２４は、シリコン原料２６が完全に溶解し且つ１層以上のシリコン種結晶層２２４が部分的に溶融する（すなわち、シリコン種結晶層２２４の一部が溶融してリフローする）まで過冷却状態に保たれる。
【００４４】
最終的に、方向性凝固法を用いて鋳型２０を冷却することによって、シリコン融液は、完全に凝固してシリコンインゴットを形成する。
【００４５】
シリコン種結晶層２２４の結晶構造及び欠陥密度は、上述のシリコン種結晶１４ａ、１４ｂと同じであり、そしてバリア層２２２の構造及び材料もまた、上述のバリア層１２と同じである。
【００４６】
図４は、第３の実施形態に係る結晶シリコンインゴットの製造について説明するための断面図の一例を示す。
【００４７】
図４に示されるように、結晶シリコンインゴットの製造方法は、最初に実施形態に従って鋳型３０を供給する工程を含む。鋳型３０は、シリコン原料の溶融及び冷却において、方向性凝固法を実施するのに適する。
【００４８】
更に、図４に示されるように、１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂを鋳型３０に入れる。少なくとも１つのシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、２つ以上のシリコン結晶粒を含む。１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、単結晶シリコンインゴット、テール部原料、再生シリコンウェハ等から切り出された、単結晶シリコン種結晶（例えば、図４の３４ｂ）にできる。１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、多結晶シリコン種結晶（例えば、図４の３４ａ）にもできる。更に、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、多結晶シリコン種結晶３４ａと単結晶シリコン種結晶３４ｂとが混合されてもよく、鋳型３０の底部を完全に覆う。例えば、図４に示されるように、多結晶シリコン種結晶３４ｂ及び単結晶シリコン種結晶３４ｂが、鋳型３０の底部を完全に覆う。
【００４９】
特に、各シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、１つ以上のシリコン粒子を含み、欠陥密度が低いという特性を有する。欠陥密度が低いとは、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせで表すことができる。エッチピット密度は、前述のように腐食性液体を用いて測定することができ、また不純物は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を用いて測定することができる。
【００５０】
更に、図４に示されるように、シリコン原料３６は、鋳型３０の内部に入れられて、１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂの上に配置される。
【００５１】
更に、図４に示されるように、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂ及びシリコン原料３６が鋳型３０に入れられると、鋳型３０は、シリコン融液を得るために加熱工程用ヒータ１１（図１Ｃに示したヒータ１１と同じ）の内側に置かれる。加熱工程の間、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂは、シリコン原料３６が完全に溶解し、且つ１つ以上のシリコン種結晶３４ａ、３４ｂが部分的に溶融する（すなわち、シリコン種結晶３４ａ、３４ｂの一部が溶融してリフローする）まで過冷却状態に保たれる。
【００５２】
最終的に、方向性凝固法で鋳型３０を冷却することで、シリコン融液は完全に凝固してシリコンインゴットになる。
【００５３】
したがって、例示の実施形態に従った製造方法により、欠陥密度が低く、製造原価が安く、るつぼからの汚染の問題が大幅に軽減された結晶シリコンインゴットが製造される。この方法では、更に、シリコン種結晶及びバリア層を再使用及びリサイクルする。
【００５４】
例示の実施形態をいくつかの実施形態及び実施に関連して説明したが、例示の実施形態は、それらに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれる様々な明白な変更及び同等のアレンジを含む。例示の実施形態の特徴は、請求項の特定の組み合わせで表されるが、これらの特徴は、いかなる組み合わせ及び順序でも設定できることが考えられる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 鋳型
１１ ヒータ
１２ バリア層
１４ａ、１４ｂ シリコン種結晶
１４’ 固液境界
１６ シリコン原料
１７ シリコン融液
１８ シリコンインゴット
２０ 鋳型
２２ 多層構造体
２２２ バリア層
２２４ シリコン種結晶層
２６ シリコン原料
３０ 鋳型
３４ａ、３４ｂ シリコン種結晶
３６ シリコン原料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型内部にバリア層を配置し、
前記鋳型内部の前記バリア層の上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、
前記シリコン種結晶の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリコン種結晶が、１つ以上の多結晶シリコン種結晶及び１つ以上の単結晶シリコン種結晶からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコン種結晶が、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型内部に多層構造体を配置し、前記多層構造体が、少なくとも１層のシリコン種結晶層と前記鋳型底部に配置されたバリア層とを含み、前記シリコン種結晶層が前記バリア層と接し、
前記鋳型内部の前記シリコン種結晶層の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶層が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ること
を含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項８】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シリコン種結晶層が、少なくとも１つのシリコン結晶粒を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記シリコン種結晶層が、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型の内部に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、前記シリコン種結晶は、それぞれが少なくとも１つのシリコン結晶粒を含むとともに、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有し、
前記シリコン種結晶の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型の底部と前記シリコン種結晶との間にバリア層を配置することを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記バリア層が小片状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記バリア層の前記小片が、前記シリコン種結晶の接合部に対応して置かれることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型内部にバリア層を配置し、
前記鋳型内部の前記バリア層の上に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、
前記シリコン種結晶の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項２】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記シリコン種結晶が、１つ以上の多結晶シリコン種結晶及び１つ以上の単結晶シリコン種結晶からなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコン種結晶が、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型内部に多層構造体を配置し、前記多層構造体が、少なくとも１層のシリコン種結晶層と前記鋳型底部に配置されたバリア層とを含み、前記シリコン種結晶層が前記バリア層と接し、
前記鋳型内部の前記シリコン種結晶層の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶層が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ること
を含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項８】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シリコン種結晶層が、少なくとも１つのシリコン結晶粒を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記シリコン種結晶層が、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
方向性凝固法を用いてシリコン原料を溶融及び冷却するために形成された鋳型を供給し、
前記鋳型の内部に１つ以上のシリコン種結晶を配置し、前記シリコン種結晶は、それぞれが少なくとも１つのシリコン結晶粒を含むとともに、１×１０５個／ｃｍ２未満のエッチピット密度、２ｃｍより大きな平均粒径、１０ｐｐｍａ未満の不純物濃度、又はこれらの組み合わせを有し、
前記シリコン種結晶の上に前記シリコン原料を入れ、
前記シリコン原料が完全に溶融し且つ前記シリコン種結晶が少なくとも部分的に溶融するまで前記鋳型を加熱することによってシリコン融液を得て、
前記鋳型を方向性凝固法で冷却することで前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを得ることを含むことを特徴とする結晶シリコンインゴットの製造方法。
【請求項１４】
前記鋳型の底部と前記シリコン種結晶との間にバリア層を配置することを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記バリア層が、１４００℃より高い融点を有する材料から製造されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記バリア層での不純物の拡散性が、前記鋳型での不純物の拡散性よりも低いことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記バリア層が、シリコン、高純度グラファイト、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化ケイ素、炭化物、窒化物、酸化物、又はこれらの組み合わせからなる群から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記バリア層が小片状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記バリア層の前記小片が、前記シリコン種結晶の接合部に対応して置かれることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４２９（Ｐ２０１２−１４２９Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９９５０（Ｐ２０１１−１２９９５０）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（５０６０８０７１７）シノ−アメリカン シリコン プロダクツ インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（５０６０８０７１７）シノ−アメリカン シリコン プロダクツ インコーポレイテッド (3)
【Ｆターム（参考）】
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