JPH107493A - シリコン半導体基板および太陽電池用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結晶の方向性が揃った廉価に製造することが
できるシリコン半導体基板の製造方法および太陽電池用
基板の製造方法を提供する。 【解決手段】 るつぼ９の底面に、角形で表面の軸方向
が［１００］である種結晶２０を隙間なく配置し、るつ
ぼ９に半導体材料１９を装入して種結晶２０を融解させ
ないように半導体材料１９を融解する。半導体材料１９
の融解後は、るつぼ９の側面温度が底部の下面温度を下
回らないように制御しつつ半導体材料１９を凝固させ、
るつぼ９の底面全面から上方に向けて結晶の方向性の揃
った半導体結晶を作成し、凝固した結晶を予め定める厚
さに切り出して半導体基板を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶に限りなく
近い結晶の方向性が揃ったシリコン半導体基板の製造方
法および太陽電池用基板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来一般的に、太陽電池の材料として実
用化されているものは、ほとんどがシリコンであり、さ
らに電力供給用の高効率の太陽電池としては単結晶シリ
コンが主流である。太陽電池用基板に加工される単結晶
シリコン基板は、ＩＣ（集積回路）が形成される基板な
どと同じくＣＺ法（チョコラルスキ法）によって製造さ
れるのが一般的である。しかしながら、ＣＺ法で太陽電
池用基板を作成すると基板の製造コストが高くなり、太
陽電池の製造コストを上昇させることとなる。

【０００３】現在行われている太陽電池を作成する際の
製造コストを削減する方法としては、製造コストが高く
なる単結晶シリコン基板を用いずに、多結晶シリコンに
よる基板を用いて太陽電池を作成する方法が用いられて
いる。

【０００４】低コストで多結晶シリコン基板を製造する
方法としてキャスト法がある。キャスト法とは、シリカ
るつぼに入れた固体シリコンを加熱炉内で融解させ、融
解したシリコンを黒鉛るつぼに鋳込んで多結晶シリコン
を作成する方法である。

【０００５】前記キャスト法は、現在種々の改良が施さ
れて実施されている。米国クリスタルシステムズ社のＨ
ＥＭ法（Heat Exchange Method）では、真空中に配置し
たシリカるつぼ内でシリコンを融解させ、シリカるつぼ
内で徐冷して固めて多結晶のシリコン基板を製造する。

【０００６】キャスト法の問題点の１つとして、るつぼ
からの汚染がある。るつぼから溶出す鉄や銅などの金属
はライフタイムキラーとなり、基板の特性を劣化させ
る。また、るつぼ材として石英（ＳｉＯ₂）ガラスを使
った場合にはシリコン結晶中の酸素濃度が上昇し、るつ
ぼ材としてグラファイトを使った場合には炭素濃度が上
昇する。酸素および炭素も基板の特性に大きく影響す
る。住友シスチック社では、るつぼからの汚染を防止す
るために、るつぼを使用しない電磁キャスト法を研究し
ている。電磁キャスト法では、シリコンの周囲にコイル
ヒータを配置し、コイルヒータからの熱によってシリコ
ンを融解させるとともに、コイルヒータから発生させる
磁界で融けたシリコンを保持し、徐々に冷却して固化さ
せることによってシリコン多結晶基板を製造する。

【０００７】しかしながら、これらの方法によって作成
される基板は、あくまで多結晶基板であり、太陽電池と
してもちいる場合単結晶基板並みの変換効率を得ること
ができない。前記キャスト法を用いて単結晶に近い基板
を製造する方法として、種結晶を用いて結晶を作成する
方法がある。

【０００８】図１４は、種結晶を用いてシリコン半導体
基板を製造する際のるつぼ７１の内部を示す斜視図であ
る。るつぼ７１の底部の上面である底面に、［１００］
の結晶軸を有する円形の単結晶である種結晶７２を配置
している。種結晶７２が底面に配置されたるつぼ７１に
半導体材料を装入して、るつぼ７１各部の温度を精密に
制御することによって、種結晶７２を融解させずに半導
体材料のみを融解させ、種結晶表面の軸方向［１００］
に沿って結晶をるつぼ７１の底面から上方に向けて成長
させる。

【０００９】図１５は、るつぼ７１内で凝固されたシリ
コンインゴット７３を示す。図１５（１）はインゴット
７３の斜視図であり、図１５（２）は図１５（１）に示
す切断面線ＸＶ−ＸＶから見たインゴット７３の断面図
である。インゴット７３は、種結晶７２を起点として単
結晶である領域７４が、るつぼ７１の底面側から上方に
向けて成長している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】るつぼ底面に種結晶を
配置して結晶を成長させる方法では、種結晶７２を敷い
ていない底面部分からは多結晶である領域７５が成長
し、多結晶領域７５によって単結晶領域７４の成長が阻
害され、上方に行くに従って単結晶の領域が小さくな
る。したがって、比較的大きな単結晶は得られるもの
の、製造される基板のほぼ全域にわたってより大きな単
結晶を形成することはできない。

【００１１】単結晶基板（結晶軸［１００］）では、そ
の結晶性を利用して、テクスチャエッチングを行うこと
によって、受光面側全面にわたって微細なピラミッド状
の凹凸を形成し、表面反射によるエネルギー損失を抑え
ている。しかしながら、多結晶基板では表面に種々の結
晶軸が混在し、結晶の方向性が揃っていないので、微細
なピラミッド状の凹凸を均一に基板全面にわたって形成
することができない。微細なピラミッド状の凹凸を形成
することができないので、表面反射によるエネルギー損
失を抑えることができず、光電流の量が低下することと
なる。

【００１２】本発明の目的は、結晶の方向性が揃い、廉
価に製造することができるシリコン半導体基板の製造方
法および太陽電池用基板の製造方法を提供することであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、不活性な雰囲
気下で、シリコンの種結晶を底面に配置したるつぼ内に
シリコン半導体材料を装入し、るつぼ底部の下面温度を
シリコン半導体材料の融点以下に保ちながらシリコン半
導体材料のみを融解した後、るつぼを冷却し、融解した
シリコン半導体材料を凝固させて種結晶から半導体の結
晶を成長させ、予め定める厚さに切断するシリコン半導
体基板の製造方法において、前記種結晶は、［１００］
方向に成長するように製造された単結晶インゴットから
（１００）面を表面とする矩形の板状となるように切り
出されることを特徴とするシリコン半導体基板の製造方
法である。 本発明に従えば、るつぼの底面に配置される種結晶は、
［１００］方向に成長するように製造された単結晶イン
ゴットから（１００）面を表面とする矩形の板状となる
ように切り出される。シリコン半導体基板を製造する際
には、まずるつぼの底面に種結晶を配置し、るつぼの内
部にシリコン半導体材料を装入する。シリコン半導体材
料を融解させる際には、るつぼ底部の下面温度をシリコ
ン半導体材料の融点以下に保つようにして、種結晶を融
解させずに半導体材料のみを融解させる。半導体材料の
融解後、るつぼの冷却を開始し、種結晶の表面の方向で
ある［１００］方向に沿って半導体の結晶を成長させ
る。半導体材料が凝固した後、結晶をるつぼから取り出
し、予め定める厚さに切断してシリコン半導体基板を形
成する。したがって、るつぼの底面に配置された種結晶
の表面の方向に沿って、結晶が成長することとなり、結
晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成することができ
る。

【００１４】また本発明は、前記種結晶をるつぼの底面
に隙間なく敷き詰めることを特徴とする。 本発明に従えば、シリコン半導体材料が装入されるるつ
ぼの底面には、［１００］方向に成長するように製造さ
れた単結晶インゴットから（１００）面を表面とする矩
形の板状となるように切り出された種結晶が隙間なく敷
き詰められる。したがって、るつぼの底面の全面から
［１００］方向に沿って、結晶が成長することとなり、
結晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成することがで
き、単結晶に限りなく近いシリコン半導体基板を製造す
ることができる。

【００１５】また本発明は、前記るつぼを冷却させて、
融解したシリコン半導体材料を凝固させる際に、るつぼ
の側面温度がるつぼ底部の下面温度よりも低くならない
ように制御することを特徴とする。 本発明に従えば、るつぼに装入されたシリコン半導体材
料を凝固させる際には、るつぼの側面温度がるつぼの底
部の下面温度よりも低くならないように制御しながら凝
固させる。したがって、るつぼの側面温度が下面温度よ
りも高く制御されているので、結晶の方向性が揃ってい
ないシリコン半導体材料の部分が先に凝固することがな
く、結晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成すること
ができる。

【００１６】また本発明における前記種結晶の厚さは、
２０ｍｍ以上であることを特徴とする。 本発明に従えば、るつぼの底面に配置される種結晶の厚
さは２０ｍｍ以上となるように切り出される。したがっ
て、るつぼに装入したシリコン半導体材料を融解させる
際に、すべてのシリコン半導体材料を融解させても種結
晶が融解することがなく、結晶の方向性の揃った種結晶
の表面から結晶を成長させることができる。

【００１７】また本発明における前記種結晶は、ＣＺ法
で［１００］方向に成長するように製造された単結晶イ
ンゴットを（１００）面と等価な面で切り出すことを特
徴とする。 本発明に従えば、ＣＺ法で［１００］方向に成長するよ
うに製造された単結晶インゴットにおいて、（１００）
面と、（０１０）面と、（００１）面とはそれぞれ結晶
の方向性が等しい等価な面であるので、３つの面のうち
いずれかの面が表面となるように切り出された種結晶を
用いた場合であっても、［１００］方向に成長した結晶
を得ることができる。特に、ＣＺ法で［１００］方向に
成長させ、直方体に形成された単結晶インゴットでは、
（１００）面が表面になるように種結晶を切り出す場合
よりも、（０１０）面および（００１）面が表面となる
ように切り出す場合の方が種結晶の表面積を大きくする
ことができるので、るつぼ底面に配置する種結晶の枚数
を少なくして、多結晶が成長する可能性がある種結晶同
士が接触している領域を小さくすることができ、結晶の
方向性の揃ったシリコン半導体基板を製造することがで
きる。

【００１８】また本発明は、前記種結晶から成長させた
半導体の結晶を再利用して種結晶として切り出すことを
特徴とする。 本発明に従えば、結晶の方向性の揃った単結晶に近い結
晶を作成することができるので、作成された結晶から種
結晶となる部分を切り出して新たに結晶を作成すること
ができる。

【００１９】また本発明は、不活性な雰囲気下で、シリ
コンの種結晶を底面に配置したるつぼ内にシリコン半導
体材料を装入し、るつぼ底部の下面温度をシリコン半導
体材料の融点以下に保ちながらシリコン半導体材料のみ
を融解した後、るつぼを冷却し、融解したシリコン半導
体材料を凝固させて種結晶から半導体の結晶を成長さ
せ、予め定める厚さに切断する太陽電池用基板の製造方
法において、［１００］軸方向に成長するように製造さ
れたシリコンインゴットを（０１１）面から±４５度以
下のずれで矩形の板状となるように切り出すことを特徴
とする太陽電池用基板の製造方法である。 本発明に従えば、太陽電池用基板を製造する際には、ま
ずるつぼの底面に種結晶を配置し、るつぼの内部にシリ
コン半導体材料を装入する。シリコン半導体材料を融解
させる際には、るつぼ底部の下面温度をシリコン半導体
材料の融点以下に保つようにして、種結晶を融解させず
に半導体材料のみを融解させる。半導体材料の融解後、
るつぼの冷却を開始し、種結晶の表面の方向に沿って半
導体の結晶を成長させる。半導体材料の凝固後、［１０
０］方向に成長するように製造されたシリコンインゴッ
トをるつぼから取り出し、（０１１）面から±４５度以
下のずれとなるように太陽電池用基板を切り出す。した
がって、太陽電池用基板は、基板の劈開方向が基板の対
角線に位置するようになり、辺に対して平行に力が加え
られた場合に基板が割れるのを防止することができる。

【００２０】また本発明は、前記予め定める厚さに切断
した太陽電池用基板の表面を、テクスチャエッチングす
ることを特徴とする。 本発明に従えば、結晶の方向性が揃っている太陽電池用
基板の表面は、テクスチャエッチングによって微細なピ
ラミッド状の凹凸が形成されるので、基板表面における
反射によるエネルギー損失を抑えることができ、効率の
よい太陽電池用基板を製造することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の一形態に基
づく半導体結晶の製造装置の概略的な構成を示す縦断面
図である。この装置には、密閉容器１が大気から遮断さ
れて設けられている。密閉容器１は、図示しない真空遮
断用扉を介して、外部の真空ポンプに連結され、容器内
部が真空に保たれる構成でもよい。あるいは、たとえば
アルゴンである不活性ガスが容器内を常圧で循環する構
成でもよく、容器内雰囲気が非酸化的環境に保たれ半導
体を容器内で加熱融解しても酸化による影響を受けな
い。本明細書中用いる「不活性な雰囲気下」とは、真空
中あるいは、その中で半導体材料が加熱時に酸化されな
い不活性ガス等が存在する雰囲気下を意味し、密閉容器
内で実現される。

【００２２】密閉容器内１には、図示するように熱絶縁
体２および、加熱体３から成る円筒状の加熱炉４が密閉
容器１の側壁から離れて設けられている。加熱体３は、
たとえば金属などの導電体で構成されていてもよい。加
熱炉４の周囲、特に加熱体３が位置する部分に対応する
外周辺に誘導加熱コイル５が巻付けられている。誘導加
熱コイル５は、通電されると加熱体３を熱する。加熱体
３の側壁部には、加熱体３の温度Ｔ２（第２温度）を測
定するための第１の熱電対６が導入管を通して埋設され
ている。

【００２３】第１の熱電対６および誘導加熱コイル５は
それぞれ信号線８によって密閉容器１の外部に備えられ
た制御回路７に接続される。制御回路７は第１の熱電対
６からの出力に応答して、誘導加熱コイル５に与える電
力を制御し、加熱炉４の昇温、降温を自在に実施し得る
構成となっている。

【００２４】密閉容器１の内部には、半導体材料１９お
よび種結晶２０が装入されるるつぼ９が配置される。る
つぼ９は図１に示すように、加熱炉４が形成する内部空
間に加熱炉４の側壁および上部から離間して配置され
る。るつぼ９は、たとえばシリカ材、グラファイト材、
その他の材料としてタンタル、モリブデン、タングステ
ン、窒化ケイ素、窒化ホウ素から成っていてもよい。る
つぼ９の形状は、四角柱状に形成される。るつぼ９の側
壁には、第３の熱電対１８が埋設されており、るつぼ９
に装入されている半導体材料１９の温度に近いるつぼ９
の側壁の温度を測定することができる。第３の熱電対１
８と制御回路７との接続経路については後述する。

【００２５】るつぼ９は密閉容器１で、その底部が支持
台１０によって支持されている。支持台１０は、たとえ
ば表層１０ａ、底層１０ｃがグラファイトから成り、中
間層１０ｂがカーボンファイバから成る積層構造である
ことが好ましい。支持台１０はさらに台座１１上に載置
され、台座１１は下方に連結する筒体１２によって中央
の長軸のまわりに回転される。筒体１２の回転は、台座
１１、支持台１０を介してるつぼ９に伝わり、るつぼ９
も筒体１２の回転に従って回転する。るつぼ９に半導体
材料１９が装入され、加熱炉４内でるつぼ９が加熱され
るとき、この回転によってるつぼ９内の半導体材料１９
の温度分布は均一となる。

【００２６】また台座１１は中空二重構造であり、筒体
１２も同様に二重管状である。冷却媒体、たとえば冷却
水が台座１１および筒体１２を強制循環され、台座１１
が支持する支持台１０を冷却する。冷却媒体は、冷却媒
体槽１５から連続的に筒体１２に供給される。この冷却
機構は、結果的には支持台１０が当接するるつぼ９の底
部の下面と熱交換し底部を冷却する役割を果す。台座１
１および筒体１２は、密閉容器１の外部に設けられた駆
動手段１６によって上下方向に駆動され、るつぼ９もそ
れらの上下動に伴って昇降する。こうして加熱炉４とる
つぼ９の距離も近接あるいは離間と調節できる。さらに
駆動手段１６は、前述のように筒体１２を軸線まわりに
回転駆動もする。

【００２７】加熱炉４の頭頂部すなわちるつぼ９の真上
の加熱体３中にパイロメータ１４が取付けられている。
パイロメータ１４は、るつぼ９内の半導体材料１９から
の放射熱を検知し、半導体材料１９の表面温度を測定す
ることができる。したがって、るつぼ９に装入された半
導体材料１９を加熱融解している場合には材料の融解状
態を、また半導体材料１９を冷却凝固している場合には
材料の凝固状態を判別するのにパイロメータ１４は有用
である。

【００２８】図２は、るつぼ９の底部中央部付近の図１
を拡大した要部拡大図である。るつぼ９の底部中央付近
に、るつぼ９の底部下面に当接して支持台１０の表層１
０ａ中に第２の熱電対１３が埋設されている。第２の熱
電対１３は、るつぼ９の底部下面の温度Ｔ１（第１温
度）を測定するために用いられ、第１の熱電対６と同様
に制御回路７に信号線８を介して電気的に接続されてい
る。したがって、制御回路７は第２の熱電対１３からの
温度Ｔ１の出力に応答して、誘導加熱コイル５に供給す
る電力を制御し加熱炉４の昇温、降温を行うこともでき
る。本明細書中用いる「るつぼの底部の下面温度」と、
「第１温度検出手段によって検出される第１温度」と、
「第２の熱電対１３によって検出されるるつぼ９の底部
下面の温度」とは、同一の温度Ｔ１を指し、これらの表
現は適宜、交換的に用いられる。

【００２９】るつぼ９の側壁に埋設されている第３の熱
電対１８からの信号は、るつぼ９の底部下面で表層１０
ａの表面に当接するように設けられる電極２１に接続さ
れる。表層１０ａには、電極２１と当接するように電極
２２が設けられており、第３の熱電対１８で検出された
信号は、支持台１０および筒体１２の内部の配線を介し
て制御回路７に与えられる。なお、第３の熱電対１８か
らの信号の経路については、本明細書の記載の方法に限
らない。

【００３０】図３は、底面に矩形の種結晶２０を隙間な
く配置したるつぼ９の斜視図である。配置される種結晶
２０は、（１００）の結晶軸を有する矩形の単結晶であ
る。本発明に使用することができる半導体材料として、
ポリシリコンのみについて例示するが、その他の材料た
とえばゲルマニウム（Ｇｅ）等の材料も同様に使用する
ことができる。

【００３１】図４は、第１の熱電対６および第２の熱電
対１３の検出温度（出力温度）Ｔ２，Ｔ１の経時変化を
表すグラフである。曲線Ｌ１は検出温度Ｔ１の特性を示
し、曲線Ｌ２は検出温度Ｔ２の特性を示す。また図５
は、図１に示される制御回路７の動作を説明するための
フローチャートである。

【００３２】第２の熱電対１３の検出温度Ｔ１および第
１の熱電対６の検出温度Ｔ２の出力に応答して、制御回
路７は図５のステップを実行する。本発明において、図
５に示すようなフローチャートに従わず、検出温度Ｔ１
および検出温度Ｔ２の経時変化をたとえば図４上で追跡
し、制御回路７を手動によって制御し、加熱炉４の昇
温、降温ならびにその他の工程、たとえば筒体１２の昇
降等を実施することも可能である。

【００３３】以下本発明の半導体結晶の製造方法を、各
工程ごとにさらに詳しく説明する。まず、半導体材料１
９であるポリシリコンをるつぼ９内に充填するけれど
も、この充填作業は図１の密封容器１外部で行うことが
好ましい。

【００３４】次に、ポリシリコンを含むるつぼ９を台座
１１の上に載置された支持台１０の上面に載せ、るつぼ
９の中心が台座、支持台の中央を通る軸に一致するよう
に合わせる。また、このとき電極２２と電極２３とを当
接させる。駆動手段１６を用いて筒体１２、台座１１を
上昇させ、るつぼ９が加熱炉４の内部の所定の位置に配
置されるようにるつぼ９のセッティングを行う。加熱炉
４を作動させる前に、台座１１および筒体１２に水を循
環させ、るつぼ９の底部、特に底部の下面が冷却機構に
よって冷却されていることを確かめる。

【００３５】さらに加熱炉４の加熱を始める前に、筒体
１２を駆動手段１６で鉛直軸線まわりに回転し、るつぼ
９内のポリシリコンへの加熱が均一に行われるようす
る。続いて、誘導加熱コイル５に電圧を印加し、加熱体
３を加熱してこの輻射熱を利用し、るつぼ９中のポリシ
リコンを加熱する。

【００３６】本発明に含まれる加熱および冷却工程を、
図５のフローチャートを用いて説明する。誘導加熱コイ
ル５に、たとえば約７ｋＨｚの周波数の交流を印加し、
たとえば常温である温度Ｔ３から加熱を開始する。ステ
ップａ１では、検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ２０以上とな
ったかどうかを判断している。加熱昇温は、第１の熱電
対６の検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ２０に到達するまで、
約４００℃／時間の温度勾配で行う。設定温度Ｔ２０
は、たとえば約１５４０℃であり、典型的には加熱開始
から約４．５時間後に到達する。検出温度Ｔ２が設定温
度Ｔ２０未満である場合にはステップａ１を継続して行
い、検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ２０以上となるとステッ
プａ２に進む。ステップａ２では、第１の熱電対６の検
出温度Ｔ２を設定温度Ｔ２０に保持するための電力を誘
導加熱コイル５に制御回路７で制御しながら供給し続け
る。

【００３７】ステップａ２で、るつぼ９内のポリシリコ
ンは融解温度（約１４２０℃）に達し、るつぼ上部から
下部に向かって融解が進行する。この融解の状態はパイ
ロメータ１４を使用してモニタすることができる。台座
１１を冷却媒体が循環することによって、支持台１０お
よびるつぼ９底部の下面を冷却することとなり、るつぼ
底部および下部は、るつぼ上部に比較して低温度に保た
れる。これは、曲線Ｌ１および曲線Ｌ２の立上がり勾配
からも明らかである。熱電対６の検出温度Ｔ２が前記の
ように一定値Ｔ２０に保たれ、るつぼ９の上部あるいは
側壁部からの加熱が継続するので、第２の熱電対１３の
検出温度Ｔ１もやはり第１の熱電対６の検出温度Ｔ２と
同様に、より緩やかにではあるが上昇する。

【００３８】曲線Ｌ１の勾配は、シリコンの融解温度近
傍になると平坦になる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までは約
２．５時間である。前述のように、この領域においては
ポリシリコンが融解するに際して融解熱を奪うため第２
の熱電対１３の検出温度Ｔ１の上昇が抑制されている。
ステップａ３では、第２の熱電対１３の検出温度Ｔ１の
時間変化率（単位時間ΔＷあたり）ΔＴ（℃／分）を第
２の熱電対１３からの出力でモニタし、ΔＴが設定値、
たとえば０．２℃／分以上であるかどうかを判断してい
る。時間変化率ΔＴが０．２℃／分以上であるときには
ステップａ４に移る。図４に示すグラフでは、時刻ｔ３
で時間変化率ΔＴが０．２℃／分以上となる。時刻ｔ２
から時刻ｔ３までは約４時間である。

【００３９】ステップａ４では、制御回路７によって誘
導加熱コイル５に印加する電圧を制御し、第１の熱電対
６の検出温度Ｔ２を、温度勾配が３００℃／時間になる
ようにして降温する。ステップａ３において、時間変化
率ΔＴが０．２℃／分未満である場合には、第１の熱電
対６の検出温度Ｔ２を初期の設定値Ｔ２０に設定したま
まステップａ２を継続して行う。検出温度Ｔ１を下げる
ときには、検出温度Ｔ２が検出温度Ｔ１よりも小さくな
らないようにヒータ１７に印加する電圧を制御する。

【００４０】ステップａ４の処理によって、第１の熱電
対６の検出温度Ｔ２が下がる。ステップａ５では、検出
温度Ｔ２が所定温度Ｔ２１、たとえば約１４５０℃に到
達したかどうかを判断している。時刻ｔ３から時刻ｔ４
までは、約０．３時間である。検出温度Ｔ２が設定温度
Ｔ２１以下であると判断された場合には、ステップａ６
に進む。検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ２１を超えていると
判断された場合には、ステップａ４に戻って処理を継続
する。

【００４１】ステップａ６では、第１の熱電対６の検出
温度Ｔ２の下降速度をステップａ４の３００℃／時間か
ら１℃／時間に減少し、加熱炉４内の徐冷が行われる。
それと同時に台座１１を駆動手段１６で下降（下降速度
約７〜１０ｍｍ／時間）させる。

【００４２】ステップａ７では、第２の熱電対６の検出
温度Ｔ２を非常に緩やかに下げ続け、検出温度Ｔ２が予
め定める設定温度Ｔ２２、たとえば約１４２５℃に達す
るかどうかを判断する。検出温度Ｔ２が設定温度Ｔ２２
以下であると判断された場合には、ステップａ８に進
む。時刻ｔ４から検出温度Ｔ２設定温度Ｔ２２以下とな
る時刻ｔ５までは約２５時間である。

【００４３】台座１１の下降を続けると同時に第２の熱
電対の検出温度Ｔ２の降温速度をさらに大きくする。前
記のステップａ１〜ａ７において、融解するポリシリコ
ンの温度制御がより正確に行われるように台座は１ｒｐ
ｍ以下のスピードで回転されることが好ましい。

【００４４】ステップａ８においてシリコンの凝固固化
が完全に終了したことを確認した後（約１５時間後）、
るつぼ９を密封容器１から取出す。さらに生成したシリ
コンインゴットをるつぼ９から取除くと、るつぼ底面か
ら上面方向へ一方向性で凝固したシリコン結晶が得られ
る。たとえば、ステップａ１〜ａ８を完了するのに要す
る時間は５１時間程度である。

【００４５】ステップａ１，ａ２，ａ５，ａ７における
設定温度Ｔ２０，Ｔ２１，Ｔ２２あるいは第２の熱電対
１３の検出温度の時間変化率ΔＴ等を予め適当な値に設
定しておき、それらをコンピュータに入力しこれらの設
定値に到達したか否かで各ステップの判定を行い、制御
回路７を制御し、加熱炉４内の温度制御および冷却工程
を実施することは、本発明にとって非常に有利である。

【００４６】本実施の形態におけるシリコン結晶は半導
体製品として使用することもできるが、以下に述べるよ
うにシリコンの結晶状態を調べるための試料に供した。

【００４７】実質的に同一の条件でポリシリコンをるつ
ぼ９に装入し、ステップａ１を実施した後、ステップａ
３での検出温度Ｔ１の時間変化率ΔＴの設定値を様々に
変化させ、続いてステップａ４〜ａ８を同様に行った。
凝固後取出したインゴットを所定の寸法に切断しその断
面を観察し種結晶の融解状態を判定した。これらの判定
結果を表１に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】表１から明らかなように、ステップａ３で
第２の熱電対１３の検出温度Ｔ１の時間変化率ΔＴの設
定値として０．５℃／分と定めると種結晶が融解されず
に残存したまま結晶成長が行われる。第２の熱電対１３
の検出温度Ｔ１の時間変化率ΔＴが０．２℃／分未満あ
るいは０．５℃／分を超えて設定されると種結晶が融解
されるか、または種結晶のみならずポリシリコンも未融
解のままで残った。したがって、本実施の形態あるいは
実質的に同様な実施の形態では第２の熱電対１３の検出
温度Ｔ１の時間変化率ΔＴは０．２℃／分以上０．５℃
／分以下の範囲の設定値に設定されるべきである。

【００５０】図６は、るつぼ９内で凝固されたシリコン
インゴット３１を示す。シリコンインゴット３１は、る
つぼ側壁の温度が底部の下面温度を下回らないようにヒ
ータ１７から供給する熱量を制御し、るつぼ９の下面か
ら上面に向けて成長させて形成されている。図６（１）
は凝固したシリコンインゴット３１の斜視図であり、図
６（２）は図６（１）に示す切断面線ＶＩ−ＶＩからみ
た断面図である。

【００５１】基板を用い太陽電池を作成する際には、基
板表面を化学処理してテクスチャエッチングを行い、表
面反射によるエネルギー損失を抑えて太陽電池の出力を
高める工夫がなされるが、そのためには基板表面の結晶
軸が［１００］である必要がある。したがって、基板に
（１００）面が占める割合が大きい程、表面反射による
エネルギー損失が抑えられ、短絡電流が増加し太陽電池
の出力が改善されることになる。

【００５２】図６（２）に示すように、シリコンインゴ
ット３１では、種結晶を起点として単結晶である領域３
２が底面全面から上部に向けて成長している。実際に
は、るつぼ９の側面、特にるつぼ９のコーナーに相当す
る部分についてはるつぼ９側壁の温度制御が難しいの
で、多結晶の領域３３となる。しかしながら、多結晶領
域３３はるつぼ９から析出されるの不純物が多く、ライ
フタイムも短い品質の悪い領域であるので、インゴット
形成後は削り取られる部分である。多結晶領域３３を含
む部分を、るつぼ９の側壁側からたとえば２０〜３０ｍ
ｍ削り取るので、太陽電池用基板として用いられる部分
はほとんどが単結晶領域３２となる。

【００５３】図７は、るつぼ底面に敷き詰められる種結
晶の切り出し方を説明するための図である。図７（１）
に示す、たとえばＣＺ法で作成された円柱状のシリコン
インゴット３６を所定の軸方向で切断して、図７（２）
に示すような四角柱状のシリコンインゴット３７を形成
する。シリコンインゴット３７は、（１００）面と（０
１０）面と（００１）面とを含む。

【００５４】図７（３）に示す種結晶３８は、シリコン
インゴット３７を［１００］方向に沿って予め定める厚
さで切断したものである。また図７（４）に示す種結晶
３９は、シリコンインゴット３７を［００１］方向に沿
って予め定める厚さで切断したものである。（０１０）
（００１）面は（１００）面と等価であるからこのよう
に切断することによって比較的大きな（１００）面と等
価な面の表面積が大きい種結晶を安価に得ることができ
る。種結晶３８，３９の切断される厚さは、２０ｍｍ以
上に定められる。

【００５５】図８に異なる形状の種結晶を用いキャスト
法で作製したシリコン基板について（１００）面が基板
に占める割合と、それら基板を用いて作成した太陽電池
セルの短絡電流Ｉｓｃとの関係を示す。

【００５６】円形の種結晶を用いて作成されたインゴッ
トでは、種結晶に近いインゴットの下部から切り出され
た基板では（１００）面である領域が７０％程度であ
り、上部から切り出された基板では２０％を占めるにす
ぎない。短絡電流Ｉｓｃは、最も多く電流が流れる基板
で約４．８５Ａ流れる。

【００５７】角形の種結晶３８を用いて作成されたイン
ゴットでは、最も（１００）面の領域が多い基板で（１
００）面が９０％となり、インゴットの上部から切り出
した基板であっても６０％以上が（１００）面である。
短絡電流は最大で約５．１Ａ流れる。

【００５８】前記種結晶３８よりも表面積の大きい角形
の種結晶３９を用いて作成されたインゴットでは、最も
（１００）面の領域が多い基板で（１００）面が１００
％となり、インゴットの上部から切り出した基板であっ
ても８０％以上が（１００）面である。短絡電流は最大
で約５．１Ａ流れ、最小でも約４．９５Ａ流れる。

【００５９】本発明に示す製造方法に基づいて作成され
たインゴットは、非常に大きな（１００）の単結晶領域
を持つので、作成されたインゴットの一部を切断して別
のインゴットを作成する際の種結晶として再利用するこ
とも可能である。

【００６０】図９を用いて、太陽電池用基板が作成され
るまでを具体的に説明する。一辺５５ｃｍ、高さ４０ｃ
ｍの四角柱状であるるつぼ９の底部下面に、シリコン種
結晶４１を各種結晶が密着するように配置する。種結晶
間に隙間があると、隙間の領域から多結晶が成長するこ
ととなり、インゴット中の単結晶である領域を小さくす
るので注意が必要である。

【００６１】種結晶４１は、ＣＺ法で作製された結晶軸
が（１００）の直径が１５０ｍｍインゴットを（１０
０）、（０１０）、（００１）面で切断したものであ
る。四角柱状のインゴットから、１２５ｍｍ×５００ｍ
ｍの矩形で、厚さが２０ｍｍとなるように基板を切り出
して種結晶４１とする。種結晶４１の厚さは、インゴッ
トを作成する際に融解してしまわないように本件発明者
らによって行われた実験の結果に基づいて定められてい
る。実験では、厚みの異なる複数の種結晶を用いて前述
の製造方法に基づいてインゴットを作成し、インゴット
の断面形状から種結晶が融解したか否かを判断した。実
験の結果、種結晶の厚さを１０ｍｍとした場合には種結
晶は溶けて消滅し、２０ｍｍとした場合には溶けずに種
結晶の表面の方向に沿って結晶が成長した。したがっ
て、本実施の形態に示すように種結晶４１の厚さを２０
ｍｍとすることによって、半導体材料であるポリシリコ
ンを融解させる際に、種結晶４１が融解することを防止
することができる。

【００６２】なお、種結晶４１を切り出す際に生じるシ
リコンの切断屑は、各種結晶間の隙間を埋める寸法に加
工して種結晶として用いたり、るつぼで融解されるべき
ポリシリコンとともに原材料として再利用する。

【００６３】種結晶４１は、結晶表面を結晶成長に適す
るように円滑にするため、混酸（ＨＮＯ３：ＨＦ＝３：
１）で３０μｍ程度化学エッチングされる。種結晶４１
を底面に敷き詰めたるつぼ９にポリシリコンを１４０ｋ
ｇ充填する。約４００℃／時間の温度勾配で融解温度ま
で昇温後徐冷する。

【００６４】図９（２）に示すシリコンインゴット４２
は、るつぼ９の底面全面から上方に向けて一方向に成長
した単結晶領域の大きいシリコンインゴットとなってい
る。シリコンインゴット４２を、図９（３）に示すよう
に１２５ｍｍ角の角柱状のブロック４３に切断する。ブ
ロック４３をマルチワイヤソーで予め定める厚さ、たと
えば０．４ｍｍで切断して基板状にする。切断された基
板をテクスチャエッチングして、７０〜９０℃のイソプ
ロピルアルコールを数％含む２〜５％の水酸化ナトリウ
ム水溶液に浸して３０〜４０分の間処理する。

【００６５】テクスチャエッチングによって、太陽電池
用基板４４の（１００）面には５ｍｍ程度のピラミッド
状の凹凸が形成され、光の反射によるエネルギ損失の少
ない太陽電池用基板とすることができる。

【００６６】図１０は、太陽電池用基板４４の平面図で
ある。テクスチャエッチングが行われた後の太陽電池用
基板４４には、さらに拡散によってｐｎ接合が形成され
る。ｐｎ接合の形成後、基板の裏面と表面とには後述す
るスクリーン印刷法によって所定のパターンの電極が形
成される。太陽電池用基板４４は、それぞれ平行な辺の
一方の組と直交する方向である［００１］方向と、それ
ぞれ平行な辺の他方の組と直交する方向である［０１
０］方向とが劈開の方向となっており、この方向に力が
加えられると割れやすい。

【００６７】図１１は太陽電池用基板４４にスクリーン
印刷で電極を形成する際の様子を上方から見た図であ
り、図１２は横方向から見た図である。

【００６８】太陽電池用基板４４は、セル搬送用溝５２
によって印刷装置５３のステージ５４上を搬送方向５９
に移動可能となっており、ステージ５４上の所定の位置
へと移動される。太陽電池用基板４４に形成すべき電極
のパターンに対応する孔が形成されているスクリーン５
５は、スクリーン枠５６によって太陽電池用基板４４か
らは離れて固定されている。

【００６９】スキージ５７は、スクリーン５５を太陽電
池用基板４４に当接させつつスキージ移動方向５８に摺
動する。スキージ５７がスキージ移動方向５８に移動す
ることによって、金属ペーストがスクリーン５５の孔を
通って太陽電池用基板４４に塗布されて、電極パターン
が形成される。

【００７０】太陽電池用基板４４の劈開方向である［０
１０］［００１］のいずれかの方向が、スキージ移動方
向５８と一致するので、電極の印刷工程で基板が割れる
という問題点がある。

【００７１】このような割れ不良を低減するには、劈開
の向きとスキージの移動する方向とをずらすとよい。

【００７２】図１３は、本発明の実施の他の形態である
太陽電池用基板６４が作成されるまでを説明するための
図である。図１３（１）に示すように、種結晶として
［１００］の結晶軸を有し、（０１１）面から±４５゜
のずれ以内で切断した単結晶を種結晶６１として使用す
る。

【００７３】前述の種結晶４１は、劈開しやすい方向
［０１０］［００１］がそれぞれ基板の辺と直交する方
向となっているが、種結晶６１は前記各方向が基板の対
角線上に位置する。種結晶６１に基づいて結晶を成長さ
せると、図１３（２）に示すシリコンインゴット６２が
作成される。四角柱状であるシリコンインゴット６２
は、上面が（１００）面で側面が（０１１）面となって
いる。シリコンインゴット６２を図１３（３）に示すよ
うに１２５ｍｍ角の角柱状のブロック６３に切断する。
さらにブロック６３をマルチワイヤソーで切断して、予
め定める厚さの基板とし、各基板を基板４４と同様にテ
クスチャエッチングする。

【００７４】図１３（４）に示す太陽電池用基板６４
は、種結晶６１と同様に劈開方向［０１０］および［０
０１］が基板の対角線上に位置するので、スキージ５７
の移動方向５８と劈開方向とが一致せず、電極をスクリ
ーン印刷する際に太陽電池用基板６４が割れるのを防止
することができる。

【００７５】以上のように本実施の形態によれば、るつ
ぼ９の底面に（１００）面を表面とする矩形の板状であ
る種結晶２０を配置し、るつぼ９の内部に装入された半
導体材料１９をるつぼ底部の下面温度を半導体材料１９
の融点以下に保つようにして種結晶２０を融解させずに
半導体材料１９のみを融解させ、半導体材料１９の結晶
を［１００］方向に成長するように凝固させて、凝固後
予め定める厚さに切断してシリコン半導体基板を形成し
ているので、るつぼ９の底面に配置された種結晶２０の
表面の方向に沿って、結晶が成長することとなり、結晶
の方向性が揃った半導体の結晶を作成することができ、
単結晶に限りなく近い半導体基板を製造することができ
る。

【００７６】また表面の方向が［１００］方向である種
結晶９をるつぼ底面に隙間なく敷き詰めることによっ
て、半導体の結晶を作成する際にるつぼ９の底面の全面
から［１００］方向に沿って結晶が成長するので、結晶
全体で方向性が揃った半導体の結晶を作成することがで
き、単結晶に限りなく近いシリコン半導体基板を製造す
ることができる。

【００７７】また本実施の形態によれば、［１００］方
向に成長するように製造されたシリコンインゴット６２
から（０１１）面から±４５度以下のずれとなるように
太陽電池用基板６４となる基板を切り出すので、太陽電
池用基板６４における劈開方向［０１０］および［００
１］が基板の対角線に位置するようになり、たとえば基
板にスクリーン印刷によって電極を形成する際に基板の
辺に対して平行に力が加えられて基板が割れるのを防止
することができる。

【００７８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、るつぼの
底面に（１００）面を表面とする矩形の板状である種結
晶を配置し、るつぼの内部に装入されたシリコン半導体
材料をるつぼ底部の下面温度をシリコン半導体材料の融
点以下に保つようにして種結晶を融解させずに半導体材
料のみを融解させ、結晶を［１００］方向に成長するよ
うに凝固させて、凝固後予め定める厚さに切断してシリ
コン半導体基板を形成しているので、るつぼの底面に配
置された種結晶の表面の方向に沿って、結晶が成長する
こととなり、結晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成
することができ、単結晶に限りなく近いシリコン半導体
基板を製造することができる。

【００７９】また本発明によれば、シリコン半導体材料
が装入されるるつぼの底面には、［１００］方向に成長
するように製造された単結晶インゴットから（１００）
面を表面とする矩形の板状となるように切り出された種
結晶が隙間なく敷き詰められるので、るつぼの底面の全
面から［１００］方向に沿って、結晶が成長することと
なり、結晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成するこ
とができ、単結晶に限りなく近いシリコン半導体基板を
製造することができる。

【００８０】さらに本発明によれば、るつぼの側面温度
を下面温度よりも高くなるように制御してシリコン半導
体材料を凝固させるので、結晶の方向性が揃っていない
シリコン半導体材料の部分が先に凝固することなく、結
晶の方向性が揃った半導体の結晶を作成することがで
き、単結晶に限りなく近いシリコン半導体基板を製造す
ることができる。

【００８１】またさらに本発明によれば、るつぼの底面
に配置される種結晶の厚さは２０ｍｍ以上となるように
切り出されるので、るつぼに装入したシリコン半導体材
料を融解させる際に、すべてのシリコン半導体材料を融
解させても種結晶が融解することがなく、結晶の方向性
の揃った種結晶の表面から結晶を成長させることがで
き、単結晶に限りなく近いシリコン半導体基板を製造す
ることができる。

【００８２】またさらに本発明によれば、ＣＺ法で［１
００］方向に成長するように製造された単結晶インゴッ
トにおいて、（１００）面と、（０１０）面と、（００
１）面とはそれぞれ結晶の方向性が等しい等価な面であ
るので、３つの面のうちいずれかの面が表面となるよう
に切り出された種結晶を用いた場合であっても、［１０
０］方向に成長した結晶を得ることができ、同一の単結
晶インゴットからより表面積の大きな種結晶を切り出し
て結晶を作成することができる。特に、ＣＺ法で［１０
０］方向に成長させ、直方体に形成された単結晶インゴ
ットでは、（１００）面が表面になるように種結晶を切
り出す場合よりも、（０１０）面および（００１）面が
表面となるように切り出す場合の方が種結晶の表面積を
大きくすることができるので、結晶の方向性の揃った種
結晶の表面から結晶を成長させることができ、単結晶に
限りなく近いシリコン半導体基板を製造することができ
る。

【００８３】またさらに本発明によれば、作成された結
晶から種結晶となる部分を切り出して新たに結晶を作成
する際の種結晶とすることができるので、ＣＺ法によっ
て形成された製造コストの高い単結晶を用いることな
く、シリコン半導体基板を製造することができ、シリコ
ン半導体基板の製造コストを削減することができる。

【００８４】またさらに本発明によれば、［１００］方
向に成長するように製造されたシリコン単結晶インゴッ
トから（０１１）面から±４５度以下のずれとなるよう
に太陽電池用基板を切り出すので、太陽電池用基板にお
ける劈開方向が基板の対角線に位置するようになり、辺
に対して平行に力が加えられた場合に基板が割れるのを
防止することができる。

【００８５】またさらに本発明によれば、結晶の方向性
が揃っている太陽電池用基板の表面に、テクスチャエッ
チングによって微細なピラミッド状の凹凸を形成するの
で、基板表面における反射によるエネルギー損失を抑え
ることができ、効率のよい太陽電池用基板を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態における半導体結晶の製
造装置の概略的な構成を示す図である。

【図２】るつぼ９の底部付近を拡大して示す断面図であ
る。

【図３】底面に矩形の種結晶２０を隙間なく配置したる
つぼ９の斜視図である。

【図４】第１の熱電対６および第２の熱電対１３の検出
温度Ｔ２，Ｔ１の経時変化を表すグラフである。

【図５】制御回路７の動作を説明するためのフローチャ
ートである。

【図６】本発明に示される製造方法によって作成したシ
リコンインゴット３１の斜視図および断面図である。

【図７】本発明で用いる結晶軸が［１００］方向である
種結晶の作製方法と種結晶の形状を示す斜視図である。

【図８】キャスト法で作製した結晶から切り出した基板
における（１００）面の割合と、その基板を用いて作成
した太陽電池セルの短絡電流Ｉｓｃとの関係を示すグラ
フである。

【図９】種結晶４１から太陽電池用基板４４が作成され
るまでを説明するための図である。

【図１０】太陽電池用基板４４の平面図である。

【図１１】印刷装置５３を上から見た図である。

【図１２】印刷装置５３を横から見た図である。

【図１３】本発明の実施の他の形態で、種結晶６１から
太陽電池用基板６４が作成されるまでを説明するための
図である。

【図１４】従来の半導体結晶の製造方法で底面に丸形の
種結晶７２を配置したるつぼ７１の斜視図である。

【図１５】従来の半導体結晶の製造方法で作成したシリ
コンインゴット７３の斜視図および断面図である。

【符号の説明】

１ 密閉容器 ２ 熱絶縁体 ３ 加熱体 ４ 加熱炉 ５ 誘導加熱コイル ６ 第１の熱電対 ７ 制御回路 ８ 信号線 ９ るつぼ １０ 支持台 １１ 台座 １２ 筒体 １３ 第２の熱電対 １４ パイロメータ １５ 冷却媒体槽 １６ 駆動手段 １７ ヒータ １８ 第３の熱電対 １９ 半導体材料 ２０ 種結晶

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性な雰囲気下で、シリコンの種結晶
   を底面に配置したるつぼ内にシリコン半導体材料を装入
   し、るつぼ底部の下面温度をシリコン半導体材料の融点
   以下に保ちながらシリコン半導体材料のみを融解した
   後、るつぼを冷却し、融解したシリコン半導体材料を凝
   固させて種結晶から半導体の結晶を成長させ、予め定め
   る厚さに切断するシリコン半導体基板の製造方法におい
   て、 前記種結晶は、［１００］方向に成長するように製造さ
   れた単結晶インゴットから（１００）面を表面とする矩
   形の板状となるように切り出されることを特徴とするシ
   リコン半導体基板の製造方法。
2. 【請求項２】 前記種結晶をるつぼの底面に隙間なく敷
   き詰めることを特徴とする請求項１記載のシリコン半導
   体基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記るつぼを冷却させて、融解したシリ
   コン半導体材料を凝固させる際に、るつぼの側面温度が
   るつぼ底部の下面温度よりも低くならないように制御す
   ることを特徴とする請求項１または２記載のシリコン半
   導体基板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記種結晶の厚さは、２０ｍｍ以上であ
   ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシ
   リコン半導体基板の製造方法。
5. 【請求項５】 前記種結晶は、ＣＺ法で［１００］方向
   に成長するように製造された単結晶インゴットから（１
   ００）面と等価な面で切り出すことを特徴とする請求項
   １〜４のいずれかに記載のシリコン半導体基板の製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記種結晶から成長させた半導体の結晶
   を再利用して種結晶として切り出すことを特徴とする請
   求項１〜４のいずれかに記載のシリコン半導体基板の製
   造方法。
7. 【請求項７】 不活性な雰囲気下で、シリコンの種結晶
   を底面に配置したるつぼ内にシリコン半導体材料を装入
   し、るつぼ底部の下面温度をシリコン半導体材料の融点
   以下に保ちながらシリコン半導体材料のみを融解した
   後、るつぼを冷却し、融解したシリコン半導体材料を凝
   固させて種結晶から半導体の結晶を成長させ、予め定め
   る厚さに切断する太陽電池用基板の製造方法において、 ［１００］方向に成長するように製造されたシリコンイ
   ンゴットを（０１１）面から±４５度以下のずれで矩形
   の板状となるように切り出すことを特徴とする太陽電池
   用基板の製造方法。
8. 【請求項８】 前記予め定める厚さに切断した太陽電池
   用基板の表面を、テクスチャエッチングすることを特徴
   とする請求項７記載の太陽電池用基板の製造方法。