JPS5850960B2 - 帯状シリコン結晶の成長方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は帯状シリコン結晶の成長方法に関する。

従来帯状シリコン結晶を得る場合、第１図に示すような
装置を用いて行なわれていた。

なお第１図でａは平面図で、ｂはａ図のＡ−Ａ’ で切
断した時の断面図である。

この第１図ａ，ｂにおいて、シリコン融液１１を収容す
る石英ガラスで構成されたルツボ１２に、カーボンで構
成されたスリット（間隙）を有する一対のダイ１３ａ，
１３ｂを設置する。

この一対のダイ１３ａ，１３ｂの先端部は鋭く加工され
ナイフェツジ状に構成されており、またこの一対のダイ
１３ａ，１３ｂは支持棒１４ａ，１４ｂで固定されてい
る。

そしてこの支持棒１４ａ，１４ｂ両端にはボルト１５ａ
，１５ｂが設けられ、一対のダイ１３ａ，１３ｂを強く
固定するようにしている。

また石英ルツボ１２の外側には一対の板状のメインヒー
タ１６ａ，１６ｂが設けられている。

この板状のメインヒータ１６ａ。１６ｂは上記一対のダ
イ１３ａ、１３ｂ及び石英ルツボ１２の長手方向に設け
られ、且つ前記支持棒１４ａｔ１４ｂと平行になるよう
に設けられている。

さらにこの板状のメインヒータ１６ａ。１６ｂにはスリ
ット１７が設けられ抵抗値を制御するようにしてあり、
またこの板状のメインヒータ１６ａ、１６ｂの上部即ち
一対のダイ１３ａ。

１３ｂの上端に位置する部分（成長する所）にはテーパ
がつげられている。

このように構成された成長装置の石英ルツボ１２に多結
晶シリコンを入れ、板状のメインヒータ１６ａ、１６ｂ
の温度を約１５００℃位の温度にする。

すると多結晶シリコンはシリコン融液１１となり、そし
てこのシリコン融液１１が一対のダイ１３ａ、１３ｂの
スリットを毛細管現象により先端部まで上昇する。

この上昇したシリコン融液１１に種子結晶を接触させ、
その種子結晶を徐々に引き上げることにより、帯状シリ
コン結晶１８が成長する。

このようにして得られた帯状シリコン結晶は、はぼ一対
のダイ１３ａ、１３ｂのスリットの形状と類似の形状を
有するもので、例えば一対のダイ１３ａ、１３ｂのスリ
ットの幅を０．３ｍｍ、長さを４０ｍｍの場合、得られ
る帯状シリコン結晶は厚さ０、３ ｍｍ±３０ μｍ
１幅４０ｒｒａｎ±０．５ ｍｍであった。

ところで、上記の方法で得られる帯状シリコン結晶の多
くは、その得られた状態のままで半導体太陽電池の基板
として用いられる。

したがって、例えばチョクラルスキー法で得られるシリ
コン結晶を半導体太陽電池の基板として用いるよりも、
安価に得られるという大きな特徴を有する。

そこで最近さらに安価にする為に、上述した方法で幅の
広い帯状シリコン結晶を得ようとする試みがある。

例えば一対のダイ１３ａ、１３ｂのスリット幅を０．３
ｍｍに維持し、長さを１００ｍｍにすれば、理論的に厚
さ０．３ ｍｍ、幅１００ｍｍの帯状シリコン結晶が得
られる。

しかしながら、本発明者等の実験によれば上記のような
厚さ０．３ｍｒｒｔ、幅１００關の帯状シリコン結晶を
得ることができなかった。

そこで本発明者等は、上述した方法で、どれ位の幅の帯
状シリコン結晶迄比較的歩留り良く（〜８０％以上）得
られるかを調べたところ、最大７０間〜８０關迄である
ことが判明した。

例えば一対のダイのスリットの幅が７０ｍｒＩＬ〜８０
ｍｍを越えると、例えば一対のダイの長手方向において
シリコン融液が固化したりし、歩留りが８０％以下（通
常５０％以下）となり、帯状シリコン結晶の幅を広くす
る理由がなくなってしまうことが判った。

そこで本発明者等は上述の如く一対のダイのスリットの
長さを例えば１００關以上というように長くした場合、
例えばシリコン融液が一対のダイの長手方向の端部にお
いて固化する理由を調べる為に一対のダイの先端部の温
度を測定した。

この温度の測定としては、第２図の斜視図に示すように
一対のダイの先端部に、０．５ｍＮφの白金（Ｐｔ）−
ロジウム（Ｒｈ）からなる熱電対２０ａ、２０ｂを複数
本設けて行なった。

なおこの第２図に示す一対のダイ１３ａ、１３ｂの幅は
約１６５ｍｍであって、熱電対２０ａ、２０ｂは夫々５
皿間隔に設置シた。

この第２図に示すようにして、一対のダイ１３ａ、１３
ｂの先端部の温度を測定した結果、第３図に示すような
温度分布であることが判った。

なお、第３図には、ダイの中央部を中心として、その温
度分布を示しである。

この第３図の温度分布から明らかのように、一対のダイ
１３ａ、１３ｂの幅が８０ｍｍより広くなると、一対の
ダイ１３ａ。

１３ｂの先端部の温度が平均値で１４４５℃以下となり
、例えば中央部より平均値で３℃〜１５°Ｃ低くなるこ
とが判明した。

そこで前述した点所謂一対のダイの幅が７０〜８０間以
上になるとダイの端部においてシリコン融液が固化する
という点と、この一対のダイの温度分布とを総合して考
えると、ダイの先端部の温度が１４５０℃より３°Ｃ以
上低くなった為、シリコン融液が一対のダイの長手方向
において固化すると考えられる。

即ち一対のダイの先端部の温度が１４５０℃付近であれ
ば、結晶成長する所が１４１２℃付近に保たれ、所望の
結晶成長を行なうことができるものと考えられる。

このような点に対処して本発明者等は、一対のダイの温
度分布を長手方向の端部において温度を高くしようと試
みた。

その一つとしてルツボの短辺方向に補助ヒータを設けて
、帯状シリコン結晶を成長させた。

ところが、この補助ヒータを設けて例えば厚さ０．３
ｍｍ、幅１６０ｍｍの帯状シリコン結晶を成長しようと
したところ、補助ヒータを設けない場合と同様にシリコ
ン融液が固化するという問題が発生した。

この理由としてはルツボの短辺方向に補助ヒータを設け
ても、一対のダイの長手方向の端部の温度が変化しない
為と考えられる。

そこで本発明は上記した点に対処し、例えば一対のダイ
の幅を１６０ｍｍ位にし、この一対のダイの幅に対応し
た１６０ｍ１位の幅の帯状シリコン結晶を得ることので
きる成長方法を提供するものである。

即ち本発明はルツボの短辺方向に補助ヒータ等を設けず
して、単に一対のダイをルツボめ長手方向に往復運動さ
せることによって、例えば幅１６０（ホ）の帯状シリコ
ン結晶を得ることのできる方法である。

以下図面を参照して本発明の基本的な一例を説明する。

第４図が帯状シリコン結晶の幅をより広く得られるよう
にした一例の断面図である。

即ち直流モータ（図示せず）の回転運動をギア４９ａと
、平ギア４９０組み合せ、その平ギア４９と連結してい
る支持棒１４ａ、１４ｂに固定された一対のダイ１３ａ
、１３ｂを左右に往復運動させ、ルツボ１２内のシリコ
ン融液１１を攪拌並びにその雰囲気ガスを攪拌せしめ、
一対のダイの先端部の温度を均一にせしめ、幅の広い帯
状シリコン結晶を得られるようにしたもので、以下に具
体的に実験結果を説明する。

まず一対のダイ１３ａ。１３ｂのスリット１７の厚さを
０．３間、幅を１６０間にし、一対のダイの往復運動の
速度を２ｒＩＬｒＩＬ／秒。

７１１！７＋１／秒、１２關／秒として、メインヒータ
１６ａ１６ｂの長辺方向と平行に石英ルツボ１２の端部
から端部まで一対のダイ１３ａ、１３ｂを往復運動する
ようにし、第２図の如くして一対のダイ先端部の温度（
平均値）を測定したところ、第５図のようになった。

この第５図において、ａが一対のダイ１３ａ、１３ｂの
往復運動の速度を７關／秒にした場合、ｂが２間／秒、
Ｃが１２間／秒の場合である。

この第５図の実験結果から明らかなように往復運動の速
度を７１ｎｒＩＬ／秒にした場合は、一対のダイ先端部
の温度が平均値で１４５０℃±１℃であり、往復運動の
速度を２ｍｍ／秒にした場合は一対のダイ先端部の特に
端部の温度が平均値で１４５０’Ｃ−７°Ｃ〜１３℃で
、往復運動の速度を１２關／秒にした場合は一対のダイ
先端部の温度が平均値で１４５０℃±４℃であった。

したがって一対のダイ先端部の温度を平均値で１４５０
°Ｃ±２℃以内にするためには、一対のダイの往復運動
の速度を７關／秒付近（５ｍｒＩＬ／秒〜１０ｒＩｔｒ
ＩＬ／秒）にしなげればならない。

なお、第５図の実験データの温度は平均値であって、そ
のバラツキを考えれば温度変動は２倍〜３倍あり、例え
ば第５図Ｃの場合１４５０℃±４℃であれば１４５０’
Ｃ±８℃〜１２℃となる。

また本発明者等の実験では一対のダイの往復運動の速度
を５關／秒〜１０鼎／秒であれば第５図ａの曲線と類似
した温度分布を示すことが判った。

このように一対のダイの往復運動の速度を変えた場合に
、その一対のダイ先端部の温度が第５図ａ、ｂ、ｃの如
く変化する理由は、例えば一対のダイの往復運動の速度
が２ｍｒｔｔ／秒位（５ｍｍ／秒未満）であれば、石英
ルツボ１２内のシリコン融液１１が攪拌されないと共に
、その雰囲気ガスも攪拌されなく、一対のダイを移動さ
せない場合とほとんど変りなくなり、また一対のダイの
往復運動の速度が１２ｍｍ／秒位（１０關／秒を越える
）であれば、石英ルツボ内のシリコン融液１１の揺れが
大きくなりシリコン融液内の温度バラツキが生じてしま
う。

このような理由で、一対のダイの往復運動の速度を５朋
／秒〜１０ｒｎ７ＩＬ／秒にすれば良いということであ
る。

さらに本発明者等は、一対のダイ１３ａ、１３ｂのスリ
ットの厚さを０．３ ｍ７ｆＬ、幅を１６０間にし、速
度７鼎／秒で一対のダイを往復運動させながら帯状シリ
コン結晶を成長させる実験を行なった。

その結果、成長じた帯状シリコン結晶の形状は厚さ０．
３ ｍｒｎ±１０ μｍ 、幅１６０間±０．３ ｍｍ
となり、はとんど一対のダイのスリットの形状と類似の
帯状シリコン結晶を得ることができた。

さらに、本発明者等は、上記した実験結果に基づき、往
復運動の速度に対して、帯状シリコン結晶の歩留り、転
位密度、不純物濃度、表面の凹凸度合を調べた。

その結果を夫々、第６図、第７図、第８図、第９図に夫
々０印で示す。

この夫々の図より明らかなように、一対のダイの往復運
動を５關／秒〜１０ｍｍ／秒にすれば歩留りは８０％以
上に達し、転位密度も１００ｃｒ／Ｌ−２以下位、不純
物濃度も１×１０１４／ｃｒ？Ｌ以下位と高品質の帯状
シリコ４晶で・あり、表面の凹凸も１０μｍ程度であっ
た。

従って太陽電池として利用する場合、素子化工程での破
損率か少なく高品質であるために変換効率は平均１０％
に達する。

以上、説明した実施例から明らかなように、本発明の如
く一対のダイを速度５〜１ｏｒｎｒｎ／秒で往復運動す
ることにより、単位時間当りの成長量を大幅に向上させ
、かつ非常に高品質の帯状シリコン結晶を歩留り８０％
以上で成長させることができる。

また、本発明者等は第４図に示す装置のダイ支持棒１４
ａ、１４ｂにガス流出パイプ１００ａ。

１００ｂを取り付け、一対のダイ１３ａ、１３ｂと共に
移動するようにし、このガス流出パイプ１００ａ、１０
０ｂから交互に一対のダイ先端部即ちスリットを上昇し
たシリコン融液に例えばにガスを供給するようにした。

なおこの時のＡｒガスの流速を７ ｍｍ／秒位とした。

このようにＡｒガスを交互にダイ先端部に供給すると、
石英ルツボ１２内のガスが攪拌し、ダイの先端部の温度
が均一化し、上記例、即ちガスを供給しないよりも歩留
り良く帯状シリコン結晶を得ることができる。

その歩留りの結果は第６図の・印に示すとおりであった
。

またＡｒガスを供給した時の転位密度の結果は、第７図
の・印に、不純物濃度は第８図の・印に、表面の凹凸は
第９図の・印に示すとおりであった。

なお、第４図の成長装置でメインヒータのスリット１７
０幅或いは間隔を変えたり、又はメインヒータの厚さを
変えたりしてダイ端部の温度を制御するようにすれば、
少し歩留り等が向上する。

同様にルツボ１２の上方に熱遮蔽板を設けたりすれば、
ダイ先端部の温度分布が第５図ａよりも均一化し、歩留
り等がさらに向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は帯状シリコン結晶を成長させる場合の成長装置
を示す図で、ａ図が平面図、ｂ図がａ図のＡ−Ａ’面で
切断した断面図、第２図は一対のダイ先端部の温度を測
定する場合の斜視図、第３図は第１図の装置において一
対のダイの幅を変化させた場合の温度分布を示す図、第
４図は本発明を説明するための図であって、第１図の成
長装置に一対のダイの往復運動を可能にする機構を示し
た平面図、第５図は第４図において一対のダイを往復運
動させた場合の温度分布を示す図、第６〜９図は本発明
の作用効果を説明するための曲線図で第６図は一対のダ
イの往復運動速度（ｍｍ／秒）に対する歩留り（％）、
第７図は一対のダイの往復運動速度（關／秒）に対する
転位密度（ｃｒｒＬ−２）、第８図は一対のダイの往復
運動速度Ｃｍｍ／秒）に対する不純物濃度（ｃｒｒｔ−
３）、第９図は一対のダイの往復運動速度Ｃｍｍ／秒）
に対する帯状シリコン結晶の表面の凹凸度合を示すもの
で、第１０図は本発明の詳細な説明するための構成図で
ある。 １１・・・・・・シリコン融液、１２・・・・・・石英
ルツボ、１３ａ及び１３ｂ・・・・・・ダイ、１４ａ及
び１４ｂ・・・・・・支持棒、１５・・・・・・ボルト
、１６ａ及び１６ｂ・・・・・・メインヒータ、１７・
・・・・・メインヒータに設けられたスリット、４９ａ
・・・・・・ギヤ、４９ｂ・・・・・・平ギヤ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボ内にシリコン融液を収容し、該ルツボ内にス
   リットを有する一対のダイを配し、該一対のダイのスリ
   ットを前記シリコン融液が毛細管現象により上昇するよ
   うに前記ルツボの外側に対向して設けられた一対のメイ
   ンヒータで制御し、該メインヒータで制御して前記一対
   のダイのスリットを上昇したシリコン融液に種子結晶を
   接触させ、その種子結晶を引き上げて前記一対のダイに
   規制された帯状シリコン結晶を成長させる際に、前記ス
   リットを有する一対のダイな、前記シリコン融液に種子
   結晶を接触させた後に、前記メインヒータの長手方向に
   毎秒５ｍｍ〜１０皿の速度で往復運動させることを特徴
   とする帯状シリコン結晶の成長方法。 ２ スリットを有する一対のダイを、前記シリコン融液
   に接触させた後に、前記メインヒータの長手方向に毎秒
   ５間〜１０ｍｍの速度で往復運動させ、且つ前記一対の
   ダイの先端部に不活性ガスを供給することを特徴とする
   特許 記載の帯状シリコン結晶の成長方法。 ３ 不活性ガスの供給は流速毎秒５間〜１０間であるこ
   とを特徴とする前記特許請求の範囲第２項記載の帯状シ
   リコン結晶の成長方法。 ４ 不活性ガスがアルゴンであることを特徴とする前記
   特許請求の範囲第２項記載の帯状シリコン結晶の成長方
   法。 ５ メインヒータが板状であって、その板状ヒータにス
   リットを設け、そのスリットの幅或いはそのスリット間
   隔を変えたことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項
   記載の帯状シリコン結晶の成長方法。 ６ メインヒータが板状であって、その板状ヒータの両
   端の厚さを変えることを特徴とする前記特許請求の範囲
   第１項記載の帯状シリコン結晶の成長方法。 ７ ルツボの上方方向に熱遮蔽板を設けたことを特徴と
   する前記特許請求の範囲第１項記載の帯状シリコン結晶
   の成長方法。