JP2009292652A - Production method of crystalline silicon grain - Google Patents
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Abstract
【課題】 結晶シリコン粒子を安定的かつ高効率に単結晶化するとともに、単結晶の結晶シリコン粒子を低コストに製造することができる結晶シリコン粒子の製造方法を提供すること。
【解決手段】 溶融落下法によって結晶シリコン粒子101を作製し、次に結晶シリコン粒子101の表面に研磨加工を施して結晶シリコン粒子101の表層部に加工変質層を形成し、次に窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子101をシリコンの融点以下の温度に加熱して結晶シリコン粒子101の表面に窒化珪素膜を形成し、次に酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子101を加熱して窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させ降温して凝固させて単結晶化する。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing crystalline silicon particles capable of stably producing single crystalline silicon particles at a high efficiency and producing single crystalline crystalline silicon particles at low cost.
Crystal silicon particles 101 are produced by a melt drop method, and then the surface of the crystal silicon particles 101 is polished to form a work-affected layer on the surface layer portion of the crystal silicon particles 101, and then from nitrogen gas The crystalline silicon particles 101 are heated to a temperature not higher than the melting point of silicon in the atmospheric gas or the atmospheric gas containing nitrogen gas as a main component, and a silicon nitride film is formed on the surface of the crystalline silicon particles 101. The crystalline silicon particles 101 are heated in an atmosphere gas or an atmosphere gas composed of oxygen gas and inert gas to melt the silicon inside the silicon nitride film, and the temperature is lowered and solidified to form a single crystal.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、特に太陽電池のような光電変換装置に用いるのに好適な結晶シリコン粒子の製造方法に関するものである。 The present invention particularly relates to a method for producing crystalline silicon particles suitable for use in a photoelectric conversion device such as a solar cell.
光電変換装置は、光電変換特性等の性能面での効率の良さ、シリコン等の半導体資源の有限性への配慮、製造コストの低さ等といった市場ニーズを捉えて開発が進められている。今後の市場において有望な光電変換装置の一つとして、太陽電池として使用される、結晶シリコン粒子等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置がある。 Photoelectric conversion devices have been developed in view of market needs such as high efficiency in terms of performance such as photoelectric conversion characteristics, consideration of the finite nature of semiconductor resources such as silicon, and low manufacturing costs. As one of promising photoelectric conversion devices in the future market, there is a photoelectric conversion device using crystalline semiconductor particles such as crystalline silicon particles used as a solar cell.
結晶半導体粒子である結晶シリコン粒子を作製するための原料としては、単結晶シリコンを粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子や、流動床法で気相合成された高純度シリコン等が用いられている。これらの原料から結晶シリコン粒子を作製するには、それらの原料をサイズあるいは重量によって分別した後に、赤外線や高周波を用いて容器内で溶融し、その後に自由落下させる方法(例えば、特許文献1,2を参照。)、または高周波プラズマを用いて容器内で溶融し、その後に自由落下させる方法(例えば、特許文献3を参照。)によって粒子化することが行われる。
しかしながら、これらの方法で製造された結晶シリコン粒子は、そのほとんどが多結晶体(多結晶シリコン粒子)である。多結晶シリコン粒子は、微小な単結晶の集合体であるため、それら微小な単結晶間に粒界が存在する。この粒界は、多結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置の電気特性を劣化させる。その理由は、粒界にはキャリアの再結合中心が集まっており、それによってキャリアの再結合が生ずることで少数キャリアのライフタイムが大幅に低減してしまうためである。 However, most of the crystalline silicon particles produced by these methods are polycrystalline (polycrystalline silicon particles). Since polycrystalline silicon particles are aggregates of minute single crystals, grain boundaries exist between the minute single crystals. This grain boundary degrades the electrical characteristics of a photoelectric conversion device using polycrystalline silicon particles. The reason is that the carrier recombination centers are gathered at the grain boundaries, and the recombination of carriers thereby causes the lifetime of minority carriers to be greatly reduced.
光電変換装置のように電気特性が少数キャリアの寿命の増大とともに大幅に向上する半導体装置の場合には、それに用いられる結晶シリコン粒子中の粒界の存在は、電気特性を悪化させてしまい、特に大きな問題となる。逆に言えば、結晶シリコン粒子を多結晶体から単結晶体(単結晶シリコン粒子)にして使用することができれば、光電変換装置の電気特性を著しく改善することができる。 In the case of a semiconductor device whose electrical characteristics are greatly improved with an increase in the life of minority carriers, such as a photoelectric conversion device, the presence of grain boundaries in the crystalline silicon particles used for it deteriorates the electrical characteristics. It becomes a big problem. In other words, if the crystalline silicon particles can be used from a polycrystal to a single crystal (single crystal silicon particles), the electrical characteristics of the photoelectric conversion device can be remarkably improved.
また、多結晶シリコン粒子中の粒界は多結晶シリコン粒子の機械的強度を低下させることから、光電変換装置を製造する各工程の熱履歴や熱歪み、機械的な圧力等によって多結晶シリコン粒子が破壊されやすいという問題もあった。 In addition, since the grain boundary in the polycrystalline silicon particles lowers the mechanical strength of the polycrystalline silicon particles, the polycrystalline silicon particles are affected by the thermal history, thermal strain, mechanical pressure, etc. of each process of manufacturing the photoelectric conversion device. There was also a problem that was easily destroyed.
従って、結晶シリコン粒子を用いて光電変換装置を製造する場合、粒界等が存在しない、結晶性に優れた単結晶シリコン粒子を製造することがきわめて重要となる。 Therefore, when producing a photoelectric conversion device using crystalline silicon particles, it is extremely important to produce single crystal silicon particles having no crystal grain boundaries and excellent crystallinity.
そのような結晶性に優れた単結晶シリコン粒子を得る方法として、多結晶シリコン粒子または無定形シリコン粒子の表面にシリコンの酸化膜等の珪素化合物被膜を形成し、その珪素化合物被膜の内側のシリコンを溶融した後に冷却して固化させて、結晶性に優れた多結晶体または単結晶体からなる結晶シリコン粒子を製造する方法が知られている(例えば、特許文献4を参照。)。 As a method for obtaining such single crystal silicon particles having excellent crystallinity, a silicon compound film such as a silicon oxide film is formed on the surface of polycrystalline silicon particles or amorphous silicon particles, and silicon inside the silicon compound film is formed. A method for producing crystalline silicon particles made of a polycrystal or a single crystal excellent in crystallinity by melting and then solidifying by cooling is known (see, for example, Patent Document 4).
しかしながら、多結晶シリコン粒子を加熱してその表面に形成された珪素化合物被膜、具体的には酸化珪素膜の内側でシリコンを溶融させ、その後に凝固させた場合、シリコンの溶融の際に隣接した多結晶シリコン粒子同士が合体してしまうという問題点があった。また、この場合、CZ(チョクラルスキー)法やFZ(フローティングゾーン)法のような一般的なバルクのシリコン単結晶を育成する方法において使用される種結晶のような凝固起点がないため、一方向に凝固が起こらず、多数核の発生による多結晶化が起こることが問題となる。また、この多結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置は、特性劣化を引き起こしてしまうという問題があった。 However, when a polycrystalline silicon particle is heated to melt a silicon compound film formed on the surface thereof, specifically, silicon is melted inside the silicon oxide film and then solidified, it is adjacent when the silicon melts. There was a problem that the polycrystalline silicon particles were united. In this case, since there is no solidification starting point like a seed crystal used in a general method for growing a bulk silicon single crystal such as CZ (Czochralski) method or FZ (floating zone) method, The problem is that solidification does not occur in the direction and polycrystallization occurs due to the generation of a large number of nuclei. In addition, the photoelectric conversion device using the polycrystalline silicon particles has a problem of causing characteristic deterioration.
また、結晶シリコン粒子の製造にあたって流動床法により気相合成された高純度の多結晶シリコンを原料に用いた場合、多結晶シリコン中に含まれる出発原料に含まれる鉄やニッケル等の金属不純物、また製造工程中に外部から混入する同様の金属不純物による汚染が問題となる。金属不純物はシリコン中では化学的な結合手を持たない格子間拡散をすることから、シリコン格子の隙間を縫って不純物原子が拡散する。そして、この拡散した金属不純物はシリコン内で深い準位を形成してキャリアの再結合中心として作用し、リーク電流の増加や光電変換によって生じたキャリアのライフタイムの低下の原因となって光劣化を引き起こす。 In addition, when high-purity polycrystalline silicon synthesized in a gas phase by a fluidized bed method is used as a raw material in the production of crystalline silicon particles, metal impurities such as iron and nickel contained in the starting material contained in the polycrystalline silicon, Further, contamination due to similar metal impurities mixed from the outside during the manufacturing process becomes a problem. Since the metal impurity diffuses between the lattices which do not have a chemical bond in silicon, the impurity atoms are diffused through the gaps in the silicon lattice. This diffused metal impurity forms a deep level in silicon and acts as a carrier recombination center, which causes an increase in leakage current and a decrease in carrier lifetime caused by photoelectric conversion. cause.
即ち、従来の結晶シリコン粒子の製造方法では所望の高品質な単結晶シリコン粒子を作製することが困難であり、それによって得られた結晶シリコン粒子を用いて電気特性に優れた光電変換装置を作製するための製造方法としては不向きなものであるという問題があった。 That is, it is difficult to produce desired high-quality single crystal silicon particles by the conventional method for producing crystalline silicon particles, and a photoelectric conversion device having excellent electrical characteristics is produced using the obtained crystalline silicon particles. There is a problem that it is unsuitable as a manufacturing method for this purpose.
従って、本発明は上記従来の技術における問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、多結晶シリコン粒子等の結晶シリコン粒子を安定的かつ高効率に単結晶化するとともに、単結晶の結晶シリコン粒子を低コストに製造することができる結晶シリコン粒子の製造方法を提供することにある。 Accordingly, the present invention has been completed in view of the above-mentioned problems in the prior art, and an object of the present invention is to stably and efficiently crystallize crystalline silicon particles such as polycrystalline silicon particles as well as single crystals. Another object of the present invention is to provide a method for producing crystalline silicon particles, which can produce the crystalline silicon particles at low cost.
本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は、シリコン融液が入った坩堝のノズル部から前記シリコン融液を粒状として排出して落下させるとともに、粒状の前記シリコン融液を落下中に冷却して凝固させることによって結晶シリコン粒子を作製し、次に前記結晶シリコン粒子の表面に研磨加工を施すことによって前記結晶シリコン粒子の表層部に加工変質層を形成し、次に窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、前記結晶シリコン粒子をシリコンの融点以下の温度に加熱して前記結晶シリコン粒子の表面に窒化珪素膜を形成し、次に酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、前記結晶シリコン粒子を加熱して前記窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化することを特徴とする。 According to the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, the silicon melt is discharged as particles from the crucible nozzle part containing the silicon melt and dropped, and the granular silicon melt is cooled and solidified while being dropped. Then, a crystalline silicon particle is produced, and then the surface of the crystalline silicon particle is polished to form a work-affected layer on the surface layer portion of the crystalline silicon particle. In an atmospheric gas containing a gas as a main component, the crystalline silicon particles are heated to a temperature below the melting point of silicon to form a silicon nitride film on the surface of the crystalline silicon particles, and then an atmospheric gas or oxygen consisting of oxygen gas The crystalline silicon particles are heated in an atmospheric gas composed of a gas and an inert gas to melt the silicon inside the silicon nitride film and then drop it. Characterized by single crystal solidifying by.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記窒化珪素膜は酸素を含んでいることを特徴とする。 The method for producing crystalline silicon particles according to the present invention is preferably characterized in that the silicon nitride film contains oxygen.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、前記結晶シリコン粒子を加熱して前記窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化する際に、多数個の前記結晶シリコン粒子を台板上に重層的に載置した状態で単結晶化することを特徴とする。 In the method for producing crystalline silicon particles according to the present invention, preferably, the crystalline silicon particles are heated in an atmosphere gas composed of oxygen gas or an atmosphere gas composed of oxygen gas and an inert gas so as to form an inner side of the silicon nitride film. When the silicon is melted, cooled and solidified to be single-crystallized, the single-crystallization is performed in a state in which a large number of the crystalline silicon particles are placed in a multilayered manner on the base plate.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記結晶シリコン粒子を単結晶化した後に前記窒化珪素膜を除去することを特徴とする。 The method for producing crystalline silicon particles according to the present invention is preferably characterized in that the silicon nitride film is removed after the crystalline silicon particles are single-crystallized.
本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は、シリコン融液が入った坩堝のノズル部からシリコン融液を粒状として排出して落下させるとともに、粒状のシリコン融液を落下中に冷却して凝固させることによって結晶シリコン粒子を作製し、次に結晶シリコン粒子の表面に研磨加工を施すことによって結晶シリコン粒子の表層部に加工変質層を形成し、次に窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子をシリコンの融点以下の温度に加熱して結晶シリコン粒子の表面に窒化珪素膜を形成し、次に酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子を加熱して窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化することから、加工変質層内の多数のマイクロクラックに沿って網目構造の窒化珪素膜が形成される。その結果、例えば多数の結晶シリコン粒子を並べて単結晶化する際に、結晶シリコン粒子同士の合体を効果的に抑制して、合体による結晶シリコン粒子同士の接触面における結晶割れやサブグレインの発生がない、高品質な結晶性を有する結晶シリコン粒子を製造することができる。 In the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, the silicon melt is discharged as particles from the crucible nozzle part containing the silicon melt and dropped, and the granular silicon melt is cooled and solidified during the dropping. The crystalline silicon particles are prepared by the following steps, and then the surface of the crystalline silicon particles is polished to form a work-affected layer on the surface layer of the crystalline silicon particles, and then the atmosphere gas or nitrogen gas composed of nitrogen gas is the main component. The crystalline silicon particles are heated to a temperature not higher than the melting point of silicon to form a silicon nitride film on the surface of the crystalline silicon particles, and then from the atmospheric gas composed of oxygen gas or oxygen gas and inert gas In the atmosphere gas, the crystalline silicon particles are heated to melt the silicon inside the silicon nitride film, and the temperature is lowered and solidified to form a single crystal. Et al., A silicon nitride film of the mesh structure is formed along a number of microcracks of the work-affected layer. As a result, for example, when a large number of crystalline silicon particles are aligned and single-crystallized, the coalescence of the crystalline silicon particles is effectively suppressed, and the occurrence of crystal cracks and subgrains at the contact surface between the crystalline silicon particles due to the coalescence. Crystalline silicon particles having high quality crystallinity can be produced.
また、結晶シリコン粒子が表層部に網目構造の窒化珪素膜を有することから、単結晶化の際に結晶シリコン粒子内部のシリコンの溶融固化時の体積変化に対し、結晶シリコン粒子の形状を維持するのに十分な柔軟性を結晶シリコン粒子の表層部に付加することができる。 In addition, since the crystalline silicon particles have a network-structured silicon nitride film on the surface layer, the shape of the crystalline silicon particles is maintained with respect to the volume change when the silicon inside the crystalline silicon particles is melted and solidified during single crystallization. Therefore, sufficient flexibility can be added to the surface layer portion of the crystalline silicon particles.
また、窒化珪素膜は、酸化珪素膜に比べて、汚染物や不純物等の結晶シリコン粒子内部のシリコン中への拡散阻止力が大きいため、結晶シリコン粒子の表面に付着した鉄(Fe)等の重金属元素等の拡散による汚染が低減され、高品質な結晶シリコン粒子を作製することができる。 In addition, since the silicon nitride film has a higher ability to prevent diffusion of contaminants and impurities into the silicon inside the crystalline silicon particles than the silicon oxide film, the silicon nitride film such as iron (Fe) attached to the surface of the crystalline silicon particles Contamination due to diffusion of heavy metal elements or the like is reduced, and high-quality crystalline silicon particles can be manufactured.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は、窒化珪素膜は酸素を含んでいることがよく、この場合、上述した作用効果である、汚染物や不純物等の結晶シリコン粒子内部のシリコン中への拡散阻止力が大きいため、結晶シリコン粒子の表面に付着した鉄(Fe)等の重金属元素等の拡散による汚染が低減され、高品質な結晶シリコン粒子を作製することができる。 In the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, the silicon nitride film preferably contains oxygen, and in this case, the above-described effects are brought into silicon inside the crystalline silicon particles such as contaminants and impurities. Therefore, the contamination due to diffusion of heavy metal elements such as iron (Fe) adhering to the surface of the crystalline silicon particles is reduced, and high-quality crystalline silicon particles can be produced.
また、窒化珪素膜は酸素を含んでいることにより、酸素を含まない窒化珪素膜に比べ膜の柔軟性に優れ、膜厚が厚い場合においても、単結晶化の際に結晶シリコン粒子内部のシリコンの溶融固化時の体積変化に対し、結晶シリコン粒子の形状を維持するのに十分な柔軟性を結晶シリコン粒子の表層部に付加することができる。 In addition, since the silicon nitride film contains oxygen, the flexibility of the film is superior to that of a silicon nitride film that does not contain oxygen, and even when the film thickness is large, the silicon inside the crystalline silicon particles is formed during single crystallization. With respect to the volume change at the time of melting and solidifying, a sufficient flexibility to maintain the shape of the crystalline silicon particles can be added to the surface layer portion of the crystalline silicon particles.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子を加熱して窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化する際に、多数個の結晶シリコン粒子を台板上に重層的に載置した状態で単結晶化することにより、前処理で結晶シリコン粒子の表面に形成された窒化珪素膜が結晶シリコン粒子同士の合体を効果的に防ぐため、加熱炉での単結晶化の際に多数個の結晶シリコン粒子を台板上に重層的に載置して、結晶シリコン粒子を高密度に配置することにより、多数個の結晶シリコン粒子を一度に単結晶化することができ、安価に量産性よく結晶シリコン粒子を製造することが可能となる。従って、光電変換装置等に使用する結晶シリコン粒子を効率的に製造できる。 In the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, the silicon inside the silicon nitride film is preferably heated by heating the crystalline silicon particles in an atmospheric gas composed of oxygen gas or an atmospheric gas composed of oxygen gas and an inert gas. When a single crystal is formed by melting, cooling and solidifying to form a single crystal, the surface of the crystalline silicon particles is pre-processed by single crystallization in a state in which a large number of crystalline silicon particles are placed on a base plate. In order to effectively prevent coalescence of the crystalline silicon particles formed in the silicon nitride film, a large number of crystalline silicon particles are stacked on the base plate during single crystallization in a heating furnace, By arranging the crystalline silicon particles at a high density, a large number of crystalline silicon particles can be single-crystallized at a time, and it is possible to manufacture the crystalline silicon particles at low cost and with high mass productivity. Therefore, it is possible to efficiently produce crystalline silicon particles used for a photoelectric conversion device or the like.
また、多数個の結晶シリコン粒子を台板上に重層的に載置して溶融、固化及び単結晶化する際の凝固起点を、結晶シリコン粒子と台板との接触部分及び結晶シリコン粒子同士の接触部分に設定して、その接触部分から結晶シリコン粒子の上方に向けて単結晶化を進めることができる。そのため、CZ法やFZ法等のように種結晶を用いなくとも結晶シリコン粒子を一方向に凝固させて容易に単結晶化することができ、結晶シリコン粒子の結晶性を大幅に向上させることができる。 In addition, a solidification starting point when a large number of crystalline silicon particles are placed on a base plate in a multilayer manner to melt, solidify and single crystallize is determined by the contact portion between the crystalline silicon particles and the base plate and between the crystalline silicon particles. By setting the contact portion, single crystallization can proceed from the contact portion to above the crystalline silicon particles. Therefore, the crystalline silicon particles can be easily solidified in one direction without using a seed crystal as in the CZ method and the FZ method, and can be easily single-crystallized, and the crystallinity of the crystalline silicon particles can be greatly improved. it can.
即ち、まず結晶シリコン粒子の台板との接触点が凝固起点となり、結晶シリコン粒子の一方向(上方向)に凝固が進行する。この場合、特に台板を冷却しなくても、結晶シリコン粒子の台板との接触点を凝固起点とすることができるが、台板を冷却してもよい。次に、凝固が完了した結晶シリコン粒子と接しているその上の結晶シリコン粒子が、凝固が完了した結晶シリコン粒子との接触点を凝固起点として、一方向(上方向に)に凝固が進行する。その繰り返しで、結果的に下側の結晶シリコン粒子から上側の結晶シリコン粒子に凝固が進行する。 That is, first, the contact point of the crystalline silicon particles with the base plate becomes a solidification starting point, and solidification proceeds in one direction (upward direction) of the crystalline silicon particles. In this case, the contact point of the crystalline silicon particles with the base plate can be set as a solidification starting point without cooling the base plate, but the base plate may be cooled. Next, the solidification of the crystalline silicon particles on the crystalline silicon particles in contact with the solidified crystalline silicon particles proceeds in one direction (upward), starting from the contact point with the solidified crystalline silicon particles. . As a result, the solidification progresses from the lower crystalline silicon particles to the upper crystalline silicon particles as a result.
また、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、結晶シリコン粒子を単結晶化した後に窒化珪素膜を除去することから、結晶シリコン粒子の表層部に偏析した、Fe,Cr,Ni,Mo等の金属不純物含有部を除去することができ、本発明の製造方法によって得られた結晶シリコン粒子を光電変換装置に用いた場合、良好な光電変換特性を得ることができる。 In the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, preferably, since the silicon nitride film is removed after the crystalline silicon particles are monocrystallized, Fe, Cr, Ni, Mo segregated on the surface layer portion of the crystalline silicon particles. In the case where the crystalline silicon particles obtained by the production method of the present invention are used in a photoelectric conversion device, good photoelectric conversion characteristics can be obtained.
以下、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, a method for producing crystalline silicon particles of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1(a)〜(d)は、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法について実施の形態を示す概略的断面図である。図1(a)において、101は結晶シリコン粒子、201,202は、結晶シリコン粒子101の表面に、研磨加工による加工変質層を形成する装置としての、剛性の大きい下側回転定盤及び上側回転定盤であり、203は遊離砥粒である。また、図1(b)〜(d)は、台板上に重層的に載置された多数個の結晶シリコン粒子101を示す工程毎の断面図である。図1(b)〜(d)において、301は台板である。
1A to 1D are schematic cross-sectional views showing an embodiment of the method for producing crystalline silicon particles of the present invention. In FIG. 1A,
本発明の結晶シリコン粒子の製造方法は、シリコン融液が入った坩堝のノズル部からシリコン融液を粒状として排出して落下させるとともに、粒状のシリコン融液を落下中に冷却して凝固させることによって結晶シリコン粒子101を作製し、次に結晶シリコン粒子101の表面に研磨加工を施すことによって結晶シリコン粒子101の表層部に加工変質層を形成し、次に窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子101をシリコンの融点以下の温度に加熱して結晶シリコン粒子101の表面に窒化珪素膜を形成し、次に酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子101を加熱して窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化する構成である。
In the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, the silicon melt is discharged as particles from the crucible nozzle part containing the silicon melt and dropped, and the granular silicon melt is cooled and solidified during the dropping. The
まず、図3に示すように、結晶シリコン粒子101の材料として半導体グレードの結晶シリコンを用い、これを赤外線や高周波誘導コイルを用いて容器内で溶融し、しかる後に溶融したシリコンを粒状のシリコン融液として自由落下させる溶融落下法(ジェット法)等によって多結晶の結晶シリコン粒子101を得る。
First, as shown in FIG. 3, semiconductor grade crystalline silicon is used as a material for the
図3の溶融落下法による結晶シリコン粒子の製造装置(ジェット装置)において、1は坩堝、1aは坩堝1の底部に設けられたノズル部、2は坩堝1の下方に長手方向が上下方向となるように配置された管、3は坩堝1に設けた石英等から成るガス導入管、4は粒状シリコンの融液、5は結晶シリコン粒子をそれぞれ示す。坩堝1は、原料のシリコン粒子を加熱溶融してシリコン融液とするとともに、底部のノズル部1aから粒状シリコンの融液4として排出するための容器である。坩堝1内で加熱溶融されたシリコン融液は、ノズル部1aより管2中へ排出され、粒状シリコンの融液4となって管2の内側を落下する。坩堝1は、シリコンの融点より高い融点を有する材料から成る。また坩堝1は、シリコン融液との反応性が小さい材料からなることが好ましく、シリコン融液との反応が大きい場合、坩堝1の材料が不純物として結晶シリコン粒子5中へ多量に混入することとなるため好ましくない。
In the crystal silicon particle production apparatus (jet apparatus) by the melt-drop method of FIG. 3, 1 is a crucible, 1a is a nozzle portion provided at the bottom of the
例えば、坩堝1の材料としては、炭素,炭化珪素質焼結体,炭化珪素結晶体,窒化ホウ素質焼結体,酸窒化珪素質焼結体,石英,水晶,窒化珪素質焼結体,酸化アルミニウム質焼結体,サファイア,酸化マグネシウム質焼結体等が好ましい。また、これらの材料の複合体、混合体または化合体であってもよい。また、上記材料から成る基体の表面に炭化珪素膜,窒化珪素膜,酸化珪素膜をコーティングしてもよい。また、坩堝1内において原料を融点以上に加熱する加熱方法としては、電磁誘導加熱や抵抗加熱等が好適である。 For example, the material of the crucible 1 is carbon, silicon carbide sintered body, silicon carbide crystal, boron nitride sintered body, silicon oxynitride sintered body, quartz, quartz crystal, silicon nitride sintered body, oxidation Aluminum sintered bodies, sapphire, magnesium oxide sintered bodies and the like are preferable. Moreover, the composite of these materials, a mixture, or a combination may be sufficient. Further, a silicon carbide film, a silicon nitride film, or a silicon oxide film may be coated on the surface of the base made of the above material. Moreover, as a heating method for heating the raw material to the melting point or more in the crucible 1, electromagnetic induction heating, resistance heating, or the like is suitable.
ノズル部1aは、炭化珪素(炭化珪素結晶体または炭化珪素質焼結体)または窒化珪素(窒化珪素質焼結体)から成る。 The nozzle portion 1a is made of silicon carbide (silicon carbide crystal or silicon carbide sintered body) or silicon nitride (silicon nitride sintered body).
溶融落下法で作製された多結晶の結晶シリコン粒子101には、所望の導電型及び抵抗値にするために、通常はドーパントがドーピングされる。シリコンに対するドーパントとしては、ホウ素,アルミニウム,ガリウム,インジウム,リン,ヒ素,アンチモンがあるが、シリコンに対する偏析係数が大きい点やシリコン溶融時の蒸発係数が小さい点からは、ホウ素あるいはリンを用いることが望ましい。また、ドーパント濃度としては、シリコンの結晶材料に1×1014〜1×1018atoms/cm3程度添加される。
この溶融落下法によって結晶シリコン粒子101を得た時点では、結晶シリコン粒子101の形状は、ほぼ球形状のものの他にも涙滴型や流線形型、あるいは複数個の粒子が連結した連結型等である。このままの多結晶の結晶シリコン粒子101を用いて光電変換装置を作製した場合、良好な光電変換特性を得られないものとなる。その原因は、この多結晶の結晶シリコン粒子101中に通常含有されているFe,Cr,Ni,Mo等の金属不純物、及び多結晶の結晶シリコン粒子101の結晶粒界におけるキャリアの再結合効果によるものである。
At the time when the
これを改善するために、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法によって、溶融落下法によって得られた結晶シリコン粒子101の表面に研磨加工による加工変質層を形成し、次に、窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、温度制御した加熱炉の中で多結晶の結晶シリコン粒子101をシリコンの融点(1414℃)以下の温度(500〜1400℃)に加熱して結晶シリコン粒子101の表面に窒化珪素膜を形成し、その後、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で結晶シリコン粒子101を加熱して窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化する。
In order to improve this, by the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, a work-affected layer is formed by polishing on the surface of the
まず、研磨加工による加工変質層の形成について説明する。図1(a)に示された下側回転定盤201及び上側回転定盤202は、結晶シリコン粒子101の表面の研磨装置として機能するものであり、少なくとも一方が回転するようになっていればよく、両方が回転するようになっていてもよい。また、両方が回転する場合、互いに反対方向に回転してもよく、あるいは同方向に回転してそれぞれの回転速度が異なるようにしてもよい。
First, the formation of a work-affected layer by polishing will be described. The lower
さらに、下側回転定盤201の回転軸及び上側回転定盤202の回転軸は固定されていてもよく、あるいは一方の回転軸を固定し他方の回転軸を所定の軌跡(円形状、楕円形状等の軌跡)を描くように運動させてもよい。または、両方の回転軸が所定の軌跡(円形状、楕円形状等の軌跡)を描くように運動させてもよい。また、下側回転定盤201及び上側回転定盤202の少なくとも一方は、上下方向に移動可能な構造になっていてもよい。下側回転定盤201及び上側回転定盤202の材料はSUS(ステンレススチール)等である。また、下側回転定盤201及び上側回転定盤202の平面視における形状は、円形、四角形等であり、その他の形状であってもよい。
Further, the rotation axis of the
また、下側回転定盤201及び上側回転定盤202間には、1個または複数個の結晶シリコン粒子101を配置することができ、複数個配置する場合であれば、例えば100〜100000個程度配置する。また、下側回転定盤201及び上側回転定盤202間に複数個の結晶シリコン粒子101を配置する場合、個々の結晶シリコン粒子101の大きさの違いを考慮して、全ての結晶シリコン粒子101にほぼ均一に圧力が加わるように、下側回転定盤201及び上側回転定盤202の押圧面(結晶シリコン粒子101との接触面)の少なくとも一方に、ゴム層、ゴム膜、ゴムシート等の弾性層を設けてもよい。
Further, one or a plurality of
遊離砥粒203の材料としては、一般的に炭化珪素,アルミナ,ダイヤモンド等が用いられる。遊離砥粒203を使用しない場合は、下側回転定盤201及び上側回転定盤202の少なくとも一方の押圧面に、炭化珪素,アルミナ,ダイヤモンド等から成る砥石や砥石板を設置することも可能である。
Generally, silicon carbide, alumina, diamond or the like is used as the material of the loose
結晶シリコン粒子101の表層部に研磨加工によって加工変質層を形成するには、例えば、平均粒径約30μmのSiCから成る遊離砥粒203を用い、下側回転定盤201を固定し、上側回転定盤202を5〜250rpmの回転速度で回転させ、3〜30分研磨加工を行う。このとき、上側回転定盤202を軸方向下方に移動させ、結晶シリコン粒子101に0.01MPa〜0.1MPa程度の圧力をかけてもよい。これにより、結晶シリコン粒子101の表層部に厚み約10μm程度の加工変質層が形成される。
In order to form a work-affected layer by polishing in the surface layer portion of the
加工変質層は、一般に、表面側から非晶質層、多結晶層、モザイク層、クラック層、歪層等が存在する構成のものであり、これらの5つの層を合わせて加工変質層と呼ぶ。本発明における加工変質層は、実際には、非晶質層、多結晶層、モザイク層及びクラック層から成るものと推測される。また、加工変質層は、結晶シリコン粒子101の単結晶化のための再溶融(リメルト)工程により消失することとなる。
The work-affected layer generally has a structure in which an amorphous layer, a polycrystalline layer, a mosaic layer, a crack layer, a strain layer, and the like exist from the surface side, and these five layers are collectively referred to as a work-affected layer. . It is assumed that the work-affected layer in the present invention is actually composed of an amorphous layer, a polycrystalline layer, a mosaic layer, and a crack layer. In addition, the work-affected layer is lost by the remelting (remelting) step for single crystallization of the
加工変質層の存在は、ラマン分光法等により、ラマンスペクトルの半値幅の広がり等を確認することによって特定することができる。 The presence of the work-affected layer can be identified by confirming the broadening of the half-value width of the Raman spectrum by Raman spectroscopy or the like.
次に、窒化珪素膜の形成工程(単結晶化の前工程)における窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガスの圧力は、0.01〜0.2MPa程度がよい。0.01MPa未満では、窒化珪素膜からの窒素や酸素の蒸発により窒化珪素膜の膜厚低減や膜質劣化が生じ易くなり、0.2MPaを超えると、窒化珪素膜の膜厚バラツキが生じ易くなる。 Next, the pressure of the atmosphere gas composed of nitrogen gas or the atmosphere gas containing nitrogen gas as a main component in the silicon nitride film forming step (pre-step of single crystallization) is preferably about 0.01 to 0.2 MPa. If the pressure is less than 0.01 MPa, the film thickness of the silicon nitride film is easily reduced or the film quality is deteriorated due to evaporation of nitrogen or oxygen from the silicon nitride film. If the pressure exceeds 0.2 MPa, the film thickness variation of the silicon nitride film is likely to occur. .
結晶シリコン粒子101の表面に形成される窒化珪素膜の厚みは100nm〜10μm程度であればよく、100nm未満では、結晶シリコン粒子101内部のシリコンの溶融時に窒化珪素膜が破れ易くなる。10μmを超えると、結晶シリコン粒子101内部のシリコンの溶融時に表面張力で球形化しようとするのに対し、窒化珪素膜が厚すぎて変形しにくくなる。
The thickness of the silicon nitride film formed on the surface of the
後工程(単結晶化のための再溶融(リメルト)工程)にける酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガスの圧力は、0.01〜0.2MPa程度がよい。0.01MPa未満では、窒化珪素膜からの窒素や酸素の蒸発により窒化珪素膜の膜厚低減や膜質劣化が生じ易くなる。0.2MPaを超えると、結晶シリコン粒子101内部のシリコンの溶融時に形状を安定に保てず形状制御が難しくなる。
The pressure of the atmospheric gas composed of oxygen gas or the atmospheric gas composed of oxygen gas and inert gas in the subsequent step (remelting (remelting step for single crystallization)) is preferably about 0.01 to 0.2 MPa. If it is less than 0.01 MPa, the film thickness of the silicon nitride film is reduced and the film quality is liable to deteriorate due to evaporation of nitrogen and oxygen from the silicon nitride film. If it exceeds 0.2 MPa, the shape cannot be kept stable when silicon inside the
後工程において酸素ガス及び不活性ガスを使用する場合、酸素ガスを20体積%以上含むものであればよく、アルゴンガス等の不活性ガスを80体積%以下含むものであればよい。 In the case where oxygen gas and inert gas are used in the post-process, the oxygen gas may be contained in an amount of 20% by volume or more, and the inert gas such as argon gas may be contained in an amount of 80% by volume or less.
単結晶の結晶シリコン粒子101を作製するには、図1(b)に示すように、多数個(例えば、数100〜数1000個程度)の多結晶の結晶シリコン粒子101を台板301の上面に二層以上に重層的に載置する。本発明でいう重層的な載置とは、図1(b)の縦断面図でみた場合、略球状の結晶シリコン粒子101が厚み方向に複数の層を成すように載置された状態であり、最密に充填されて積層され載置された状態を示す。
In order to fabricate the single crystal
台板301上への多数個の結晶シリコン粒子101の載置は、一層で載置してもかまわないが、重層的に載置した方がよい。重層的に載置することにより、結晶シリコン粒子101を高密度に配置することができ、多数個の結晶シリコン粒子101を一度に単結晶化することができ、安価に量産性よく単結晶化された結晶シリコン粒子101を製造することが可能となる。従って、光電変換装置等に使用する結晶シリコン粒子101を効率的に製造できる。
Although a large number of
多数個の結晶シリコン粒子101を台板301上に重層的に載置する場合、その層数は特に限定するものではないが、例えば2〜150層程度とすればよい。
When a large number of
台板301上に載置された多数個の結晶シリコン粒子101は、それら同士が接触していても構わない。台板301は、上蓋がない箱状か板状のものが望ましく、板状の場合には複数段に積み上げて使用してもよい。台板301の材質は、結晶シリコン粒子101との反応を抑えるために、石英ガラス,ムライト,酸化アルミニウム,炭化珪素,単結晶サファイヤ等が適するが、耐熱性,耐久性,耐薬品性に優れコストも安く、かつ扱い易いという点からは、石英ガラスが好適である。
The large number of
次に、結晶シリコン粒子101を載置した台板301を加熱炉(図示せず)内に導入し、結晶シリコン粒子101を加熱していく。加熱炉としては、半導体材料の種類に応じて種々のものが使用できるが、半導体材料としてシリコンを用いるので、セラミックスの焼成等に用いられる抵抗加熱型や誘導加熱型の雰囲気焼成炉、あるいは半導体素子の製造工程で一般的に用いられる横型酸化炉等が適している。セラミックスの焼成等に用いられる抵抗加熱型の雰囲気焼成炉は、1500℃以上の昇温も比較的容易であり、結晶シリコン粒子101の量産が可能な大型のものも比較的安価に入手できるので望ましい。
Next, the
雰囲気焼成炉による加熱を行う前に、結晶シリコン粒子101の表面に付着した金属や異物等を除去するためにRCA法(RCA社による洗浄方法)で予め溶液洗浄をしておくことが望ましい。RCA法とは、シリコンウェハの標準的洗浄工程として半導体素子の製造工程で一般的に用いられている洗浄方法であり、3段の工程のうち1段目の工程において水酸化アンモニウムと過酸化水素との水溶液により、シリコンウェハ表面の酸化膜とシリコン表層部とを除去し、2段目の工程においてフッ化水素水溶液により前段の工程で付いた酸化膜を除去し、3段目の工程において塩化水素と過酸化水素との水溶液により重金属等を除去して自然酸化膜を形成するというものである。
Before heating in the atmosphere firing furnace, it is desirable to perform solution cleaning in advance by the RCA method (cleaning method by RCA) in order to remove metal, foreign matter, and the like attached to the surface of the
また、加熱炉内における炉材や発熱体等からの汚染を防止するためには台板301上に載置した結晶シリコン粒子101を覆うようなベルジャーを加熱炉内に設置することが望ましい。ベルジャーの材質は、石英ガラス,ムライト,酸化アルミニウム,炭化珪素,単結晶サファイヤ等が適するが、耐熱性,耐久性,耐薬品性に優れコストも安く扱い易いという点からは、石英ガラスが好適である。
In order to prevent contamination from furnace materials and heating elements in the heating furnace, it is desirable to install a bell jar in the heating furnace that covers the
加熱炉内で結晶シリコン粒子101を窒素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で加熱して、シリコンの融点(1414℃)より低い温度へ昇温していく過程で、結晶シリコン粒子101の表面には窒化珪素膜が形成される。窒化珪素膜の形成温度は500℃以上1400℃以下が好ましい。500℃より温度が低い場合、窒化珪素膜の成長速度が遅く充分な厚みとするのに時間がかかり、1400℃より温度が高い場合、窒化珪素膜の厚みが不均一になったり結晶シリコン粒子101に一部溶融が生じたり粒子形状が崩れてしまい好ましくない。
In the process of heating the
結晶シリコン粒子101の表面に形成される窒化珪素膜は、酸化珪素膜等と比べて、被膜の密度が高くて単位膜厚当りの強度が高いため、汚染物や不純物等の結晶シリコン粒子101の内部への拡散阻止力が大きいという作用効果を有する。
Since the silicon nitride film formed on the surface of the
また、窒化珪素膜は酸素を含んでいることがよい。酸素含有量は、10モル%程度以下がよい。10モル%を超えると、窒化珪素膜中の結晶構造の変化や結晶欠陥の増加によって膜質が劣化し易くなる。また、窒化珪素膜は酸素を含んでいると、膜の柔軟性がより向上する。窒化珪素膜に酸素を含ませるには、窒素ガスに酸素ガスを適量混合した雰囲気ガス中で熱処理するという方法等がある。 Further, the silicon nitride film preferably contains oxygen. The oxygen content is preferably about 10 mol% or less. If it exceeds 10 mol%, the film quality tends to be deteriorated due to a change in crystal structure or an increase in crystal defects in the silicon nitride film. Further, when the silicon nitride film contains oxygen, the flexibility of the film is further improved. In order to include oxygen in the silicon nitride film, there is a method in which heat treatment is performed in an atmosphere gas in which an appropriate amount of oxygen gas is mixed with nitrogen gas.
また、結晶シリコン粒子101の表面に窒化珪素膜を形成する際の加熱炉内の雰囲気ガスは、窒素ガス分圧が70%以上であることが好ましい。雰囲気ガス中の窒素ガス分圧が70%未満の場合、後の単結晶化工程において、結晶シリコン粒子101同士の合体が発生し易くなり、また窒化珪素膜の強度も劣化し、結晶シリコン粒子101を重層的に載置した状態で上部の結晶シリコン粒子101の重さにより下部の結晶シリコン粒子101が溶融時につぶれやすくなる。
Further, the atmospheric gas in the heating furnace when forming the silicon nitride film on the surface of the
なお、加熱炉内の雰囲気ガス中の各ガス分圧は、全ガス流量に対する各ガス流量で調整できる。雰囲気ガスは、例えばガス流量計やマスフロー計等のガス供給手段からガスフィルタを通してベルジャー内に供給されるが、このガス供給手段にガスを供給する装置がガス圧力とガス濃度とを調整可能な機構を持つものであればよい。 In addition, each gas partial pressure in the atmospheric gas in a heating furnace can be adjusted with each gas flow rate with respect to the total gas flow rate. Ambient gas is supplied into the bell jar through a gas filter from a gas supply means such as a gas flow meter or a mass flow meter. A mechanism for adjusting a gas pressure and a gas concentration by a device that supplies the gas to the gas supply means Anything that has
次に、図1(c)に示すように、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子101をシリコンの融点(1414℃)より高い温度(1414℃を超え1480℃以下)へ昇温していく。図1(b),(c)の工程は、それぞれ別に行っても連続して行ってもかまわない。
Next, as shown in FIG. 1C, the
台板301は、結晶シリコン粒子101を溶融後に冷却し固化させて結晶化させるときの固化起点を生じさせるものとしても機能する。このように台板301の上面に多数個の結晶シリコン粒子101を載置することにより、それぞれの結晶シリコン粒子101と台板301との接触部分に固化起点を設定することができるため、固化起点を一方の極としてこの一方の極から上方の対向する極に向けて固化(単結晶化)方向を設定することができる。その結果、種結晶を用いることなく一方向に凝固させることが可能となり、サブグレイン等の発生を抑制して結晶シリコン粒子101の結晶性を大幅に向上させることができる。
The
また、多数個の結晶シリコン粒子101を重層的に載置させた状態であるので、先に結晶化した台板301上の結晶シリコン粒子との接触部分を固化起点にして、その上に隣接する結晶シリコン粒子101が固化することが可能となり、重層的に載置されたより上部の方へ固化が連鎖反応的に広がるので、多数個の結晶シリコン粒子101の結晶性を大幅に向上させることができる。
In addition, since a large number of
結晶シリコン粒子101の大きさは、通常は形状がほぼ球状であることから、その平均粒径が直径1500μm以下が良く、その形状が球により近いことが好ましい。ただし、結晶シリコン粒子101の形状は球状に限られるものではなく、立方体状、直方体状、その他の不定形の形状であってもよい。
Since the size of the
結晶シリコン粒子101の大きさが1500μmを超えて大きい場合、結晶シリコン粒子101の表面に形成される窒化珪素膜の厚みが結晶シリコン粒子101本体に対して相対的に薄くなることによって、結晶シリコン粒子101の内側のシリコンの溶融時における結晶シリコン粒子101の形状を安定に保つことが難しくなる。また、結晶シリコン粒子101の内側のシリコンを完全に溶融させることも困難となって、溶融が不完全な場合にはサブグレインが生じ易くなる。他方、結晶シリコン粒子101の直径が30μm未満と小さい場合、結晶シリコン粒子101の内側のシリコンの溶融時に結晶シリコン粒子101の形状を安定に維持することが困難となる。
When the size of the
従って、結晶シリコン粒子101の直径は30μm〜1500μmであることが好ましく、これによって結晶シリコン粒子101の形状を安定に維持して、サブグレインの発生がない球形状で良質な結晶性を有する結晶シリコン粒子101を安定して作製することができる。
Accordingly, the diameter of the
結晶シリコン粒子101をシリコンの融点(1414℃)より高い温度へ昇温していく単結晶化工程(後工程)での加熱炉内の雰囲気ガスは、酸素ガスから成る雰囲気ガスか酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガスとする。不活性ガスとしては、アルゴンガス,窒素ガス,ヘリウムガス,水素ガスが適するが、コストが低いという点や扱い易いという点からは、アルゴンガスあるいは窒素ガスが好適である。なお、加熱炉内の雰囲気ガス中の各ガス分圧は、全ガス流量に対する各ガス流量で調整できる。雰囲気ガスは例えばガス供給手段からガスフィルタを通してベルジャー内に供給されるが、このガス供給手段にガスを供給する装置がガス圧力とガス濃度とを調整可能な機構を持つものであればよい。
The atmospheric gas in the heating furnace in the single crystallization process (post process) in which the
後工程での加熱炉内の雰囲気ガスが酸素ガス及び不活性ガスから成る場合、酸素ガス分圧が20%以上であることが好ましい。雰囲気ガス中の酸素ガス分圧が20%未満の場合、窒化珪素膜からの酸素蒸発が促進されやすくなり、また結晶シリコン粒子101内部のシリコンの溶融時に形状を安定に保てず形状制御が難しくなる。
When the atmospheric gas in the heating furnace in the subsequent process is composed of oxygen gas and inert gas, the oxygen gas partial pressure is preferably 20% or more. When the oxygen gas partial pressure in the atmospheric gas is less than 20%, oxygen evaporation from the silicon nitride film is easily promoted, and the shape cannot be kept stable when silicon inside the
結晶シリコン粒子101はシリコンの融点(1414℃)以上で、好ましくは1480℃以下の温度まで加熱される。この間に結晶シリコン粒子101において表面の窒化珪素膜の内側のシリコンが溶融する。このとき、結晶シリコン粒子101の表面に形成された窒化珪素膜によって、内側のシリコンを溶融させながらも結晶シリコン粒子101の形状を維持することが可能である。ただし、結晶シリコン粒子101の形状を安定に維持するのが困難となるような温度、例えば結晶シリコン粒子101の場合であれば1480℃を超える温度まで昇温させた場合、結晶シリコン粒子101の内部のシリコンの溶融時に結晶シリコン粒子101の形状を安定に保つことが難しくなり、隣接する結晶シリコン粒子101同士の合体が生じやすくなり、また結晶シリコン粒子101が台板301と融着し易くなる。
The
なお、結晶シリコン粒子101の表面に形成される窒化珪素膜の厚みは、結晶シリコン粒子101の上記平均粒径の範囲において、100nm以上であることが好ましい。窒化珪素膜の厚みが100nm未満と薄い場合、結晶シリコン粒子101内部のシリコンの溶融時に、結晶シリコン粒子101表面の窒化珪素膜が破れやすくなる。また、厚みが100nm以上で必要な強度を有する窒化珪素膜であれば、結晶シリコン粒子101内部のシリコンがその溶融時には表面張力で球形化しようとするのに対し、上記の温度領域であれば窒化珪素膜は充分に変形可能であるため、内部を単結晶化して得られる結晶シリコン粒子101を真球に近い形状とすることができる。
Note that the thickness of the silicon nitride film formed on the surface of the
一方、窒化珪素膜の厚みが10μmを超えて厚くなる場合、窒化珪素膜が上記の温度領域で変形しにくくなり、得られる結晶シリコン粒子101の形状が真球に近い形状になりにくいので望ましくない。
On the other hand, when the thickness of the silicon nitride film exceeds 10 μm, the silicon nitride film is not easily deformed in the above temperature range, and the shape of the obtained
従って、結晶シリコン粒子101の表面の窒化珪素膜の厚みは、上記の平均粒径の範囲(30μm〜1500μm)に対して、100nm〜10μmであることが好ましく、これによって、真球に近い良好な形状の結晶シリコン粒子101を安定して得ることができる。また、この結晶シリコン粒子101を光電変換装置に用いることによって変換効率に優れた光電変換装置を得ることができる。
Therefore, the thickness of the silicon nitride film on the surface of the
次に、図1(d)に示すように、結晶シリコン粒子101における窒化珪素膜の内側の溶融したシリコンを固化させるために、シリコンの融点以下の約1400℃以下の温度まで降温させて固化させる。この際、シリコンの融点以下の比較的高温の温度(1360℃程度)に維持して固化させるが、この場合結晶シリコン粒子101と台板301との接触部分を固化起点(一方の極)として上方の対向する極へ向けて一方向に固化が進行するので、すでに固化した結晶シリコン粒子101との接触点を固化の起点として一方向性の固化が発生し、そのまま結晶シリコン粒子101の全体に継承されて結晶が成長し、得られる結晶シリコン粒子101が単結晶となり、結晶性を大幅に向上させることができる。
Next, as shown in FIG. 1D, in order to solidify the molten silicon inside the silicon nitride film in the
また、多数個の結晶シリコン粒子101が重層的に載置された状態であれば、先に結晶化した台板301上の結晶シリコン粒子との接触部分を固化起点にして、上に隣接する結晶シリコン粒子101が固化することが可能となり、重層的に載置されたより上部の方へ固化が連鎖的に広がるので、多数個の結晶シリコン粒子101の結晶性を大幅に向上させることができる。
Further, if a large number of
また、内部が溶融した結晶シリコン粒子101を固化させる途中で結晶シリコン粒子101に対して熱アニール処理、例えば1000℃以上の一定温度で30分間以上の熱アニール処理を行うことが好ましい。この熱アニール処理を行うことによって、固化時に発生した結晶シリコン粒子101の結晶中の歪み、結晶シリコン粒子101の表面の窒化珪素膜と内側の結晶シリコンとの界面に発生した界面歪み等を緩和除去して、良好な結晶性の結晶シリコン粒子101とすることができる。
Moreover, it is preferable to perform a thermal annealing treatment on the
本発明の結晶シリコン粒子の製造方法によれば、以上のようにして、良好な結晶性を有し、かつ不要な不純物量が低減された結晶シリコン粒子を安定して製造することができる。 According to the method for producing crystalline silicon particles of the present invention, crystalline silicon particles having good crystallinity and a reduced amount of unnecessary impurities can be stably produced as described above.
また、本発明の製造方法においては、結晶シリコン粒子101を単結晶化した後に窒化珪素膜を除去することが好ましい。これにより、結晶シリコン粒子101の表層部に偏析した、Fe,Cr,Ni,Mo等の金属不純物含有部を除去することができ、本発明の製造方法によって得られた結晶シリコン粒子101を光電変換装置に用いた場合、良好な光電変換特性を得ることができる。
In the manufacturing method of the present invention, it is preferable that the silicon nitride film is removed after the
次に、図2の断面図に、本発明の光電変換装置の実施の形態の一例を示す。図2において、406は第1導電型(例えばp型)の結晶シリコン粒子、407は導電性基板、408は結晶シリコン粒子406と導電性基板407との接合層、409は絶縁物質、410は第2導電型(例えばn型)の半導体層(半導体部)、411は透光性導体層、412は電極である。
Next, an example of an embodiment of the photoelectric conversion device of the present invention is shown in the cross-sectional view of FIG. In FIG. 2, 406 is a crystalline silicon particle of the first conductivity type (for example, p-type), 407 is a conductive substrate, 408 is a bonding layer between the
本発明の結晶シリコン粒子406を用いた光電変換装置においては、導電性基板407の一主面、この例では上面に、第1の導電型(例えばp型)の結晶シリコン粒子406が多数個、その下部を例えば接合層408によって導電性基板407に接合され、結晶シリコン粒子406の隣接するもの同士の間に絶縁物質409を介在させるとともにそれら結晶シリコン粒子406の上部を絶縁物質409から露出させて配置されて、これら結晶シリコン粒子406に第2の導電型の半導体層410及び透光性導体層411が順次設けられた構成となっている。
In the photoelectric conversion device using the
なお、電極412は、この光電変換装置を太陽電池として使用する際に、透光性導体層411の上に所定のパターン形状に被着形成されるものであり、例えばフィンガー電極及びバスバー電極である。
In addition, when using this photoelectric conversion apparatus as a solar cell, the
そして、上記構成の本発明の光電変換装置における結晶シリコン粒子406は、上記の本発明の結晶シリコン粒子の製造方法によって製造されたものである。結晶シリコン粒子406が本発明の結晶シリコン粒子の製造方法によって製造されたものであることから、不純物濃度が極めて低い高品質の結晶シリコン粒子406を得ることができるので、高い光電変換効率を得るために重要な因子となる少数キャリアの寿命を向上させることができる。従って、光電変換装置の構成部品として好ましい結晶シリコン粒子406を得ることができる。
The
本発明の光電変換装置における結晶シリコン粒子406の製造方法は、上述した結晶シリコン粒子の製造方法と同様である。結晶シリコン粒子406の出発材料である結晶シリコン粒子101は、所望の抵抗値になるように第1の導電型のドーパントとしてp型の半導体不純物がドーピングされていることが好ましい。p型ドーパントとしては、ホウ素,アルミニウム,ガリウム等が好ましく、その添加量は1×1014〜1×1018atoms/cm2が好ましい。以上の本発明の結晶シリコン粒子の製造方法によって製造された結晶シリコン粒子406は、本発明の光電変換装置を作製するために使用される。そして、この光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷に供給するように成した光発電装置とすることができる。
The method for producing
図2に示した例は、以上のようにして得られた結晶シリコン粒子406を用いて作製された光電変換装置である。この光電変換装置を得るには、まず、結晶シリコン粒子406の表面に形成された窒化珪素膜をフッ酸でエッチング除去する。さらに、窒化珪素膜と結晶シリコン粒子406との界面歪み、及び結晶シリコン粒子406の表面に偏析されたp型ドーパントや酸素,炭素や金属等の不純物を除去するために、結晶シリコン粒子406の表面をフッ硝酸等でエッチング除去しても構わない。その際に除去される結晶シリコン粒子406の表面層の厚みは、径方向で100μm以下であることが好ましい。
The example shown in FIG. 2 is a photoelectric conversion device manufactured using the
次に、アルミニウム等から成る導電性基板407の上に結晶シリコン粒子406を多数個配置する。そして、これを還元雰囲気中にて全体的に加熱して生じた接合層408を介して、結晶シリコン粒子406を導電性基板407に接合させる。なお、接合層408は、例えばアルミニウムとシリコンとの合金である。
Next, a large number of
このとき、導電性基板407を、アルミニウム基板とするか、または表面にアルミニウムを少なくとも含む金属基板にすることにより、低温で結晶シリコン粒子406を接合することができ、軽量かつ低価格の光電変換装置を提供することができる。また、導電性基板407の表面を粗面にすることにより、導電性基板407の表面の非受光領域に到達する入射光の反射をランダムにすることができ、非受光領域で入射光を斜めに反射させて、光電変換装置表面側へ再反射させることができ、これを結晶シリコン粒子406の光電変換部でさらに光電変換することにより、入射光を有効に利用することができる。
At this time, by using the
次に、接合された結晶シリコン粒子406の隣接するもの同士の間に介在するように、導電性基板407上に絶縁物質409を、これら結晶シリコン粒子406の上部、少なくとも天頂部を絶縁物質409から露出させて配置する。
Next, an insulating
ここで、隣接する結晶シリコン粒子406同士の間の絶縁物質409の表面形状を、結晶シリコン粒子406側が高くなっている凹形状をしているものとすることにより、絶縁物質409とこの上を被って形成される透明封止樹脂との屈折率の差により、結晶シリコン粒子406の無い非受光領域における、結晶シリコン粒子406への入射光の乱反射を促進することができる。
Here, the surface shape of the insulating
次に、これら結晶シリコン粒子406の露出した上部に第2の導電型(例えばn型)の半導体層410及び透光性導体層411を設ける。半導体層410は、アモルファスまたは多結晶の半導体層410を成膜することにより、あるいは熱拡散法等により半導体層410を形成することにより設けられる。このとき、結晶シリコン粒子406はp型であるので、半導体層410であるシリコン層はn型の半導体層410とする。さらに、その半導体層410上に透光性導体層411を形成する。そして、太陽電池として所望の電力を取り出すために所定のパターン形状に銀ペースト等を塗布して、グリッド電極あるいはフィンガー電極及びバスバー電極等の電極412を形成する。このようにして、導電性基板407を一方の電極にし、電極412を他方の電極とすることにより、太陽電池としての光電変換装置が得られる。
Next, a second conductive type (for example, n-type)
なお、第2の導電型の半導体層410を形成するには、結晶シリコン粒子406の導電性基板407への接合に先立って、結晶シリコン粒子406の表面に工程コストの低い熱拡散法により形成してもよい。この場合、例えば、第2の導電型のドーパントとして、V族のP,As,SbやIII族のB,Al,Ga等を用い、石英からなる拡散炉に結晶シリコン粒子406を収容し、ドーパントを導入しながら加熱して結晶シリコン粒子406の表面に第2の導電型の半導体層410を形成する。
In order to form the second conductivity
次に、本発明の結晶シリコン粒子の製造方法について実施例を製造工程に沿って説明する。 Next, an example is described along a manufacturing process about the manufacturing method of the crystalline silicon particle of the present invention.
図1(a)に示すように、まずホウ素濃度が0.6×1016atoms/cm3であり、平均粒径が500μmの結晶シリコン粒子101の1000個を、ラップ研磨装置の下側回転定盤201上に配置し、上側回転定盤202を降下させた。次に、下側回転定盤201を20rpm、上側回転定盤202を5rpmで、上下側回転定盤202,201が互いに逆方向に回転するように回転させ、平均粒子径が30μmのSiCの遊離砥粒203を用いて、5分間結晶シリコン粒子101の表面の研磨処理をした。
As shown in FIG. 1 (a), first, 1000 pieces of
表面が研磨処理された結晶シリコン粒子101の厚み約10μmの表層部に、多数のマイクロクラック等を有する加工変質層が形成されていることが、ラマン分光法によって特定できた。
It was confirmed by Raman spectroscopy that a work-affected layer having a large number of microcracks and the like was formed on the surface layer portion of the
次に、図1(b)に示すように、石英ガラス製の箱状の台板301上に、多数(1000個)の結晶シリコン粒子101を重層的に載置し、加熱炉である雰囲気焼成炉の内部に設置した石英ガラス製のベルジャー内に収容した。そして、窒素ガスをガス供給装置から導入しながら加熱し、窒素ガス圧力0.1MPaでシリコンの融点以下の1300℃まで加熱し60分間保持して、結晶シリコン粒子101の表面に窒化珪素膜を形成した。1300℃で60分間の加熱を行った後、室温まで降温させた。
Next, as shown in FIG. 1B, a large number (1000 pieces) of
次に、図1(c),(d)に示すように、酸素ガスまたは混合ガス(酸素ガスとアルゴンガス)(表1参照)をガス供給装置から導入しながら、酸素ガス圧力0.02MPaでシリコンの融点以上の1440℃まで結晶シリコン粒子101を加熱し5分間保持して、結晶シリコン粒子101表面の窒化珪素膜の内側のシリコンを溶融させた後、降温速度を毎分2℃として冷却しながら結晶シリコン粒子101を固化させた。その後、さらに1250℃まで降温させてから、不活性ガスとしてのアルゴンガスを導入しながら120分間の熱アニール処理を行った。この熱アニール処理後に室温付近まで降温させた。
Next, as shown in FIGS. 1C and 1D, an oxygen gas or a mixed gas (oxygen gas and argon gas) (see Table 1) is introduced from the gas supply device while the oxygen gas pressure is 0.02 MPa. The
回収した結晶シリコン粒子101の表面に形成された窒化珪素膜をフッ酸によって除去し、フッ硝酸で結晶シリコン粒子101の表面を深さ方向に20μmの厚み分をエッチング除去した。
The silicon nitride film formed on the surface of the recovered
この結晶シリコン粒子101を石英製ボートに載せて、900℃に制御された石英管の中に導入し、POCl3ガスを窒素でバブリングさせて石英管に送り込み、熱拡散法によって30分で結晶シリコン粒子101の表面に約1μmの厚さのn型の半導体層410を形成し、その後、フッ酸にて表面の酸窒化膜を除去した。
The
次に、導電性基板として50mm×50mm×厚さ0.3mmのアルミニウム基板を用い、この上面に1000個の結晶シリコン粒子を最密充填して配置した。その後、アルミニウムとシリコンとの共晶温度である577℃を超える600℃で、5体積%の水素ガスを含む窒素ガスの還元雰囲気炉中で加熱して、結晶シリコン粒子の下部を導電性基板に接合させた。このとき、結晶シリコン粒子が導電性基板と接触している部分には、アルミニウムとシリコンとの共晶から成る接合層が形成されており、強い接着強度を呈していた。 Next, an aluminum substrate having a size of 50 mm × 50 mm × thickness 0.3 mm was used as the conductive substrate, and 1000 crystalline silicon particles were closely packed on the upper surface. Thereafter, heating is performed in a reducing atmosphere furnace of nitrogen gas containing 5% by volume of hydrogen gas at 600 ° C. exceeding 577 ° C., which is the eutectic temperature of aluminum and silicon, and the lower part of the crystalline silicon particles is used as a conductive substrate. It was made to join. At this time, a bonding layer made of a eutectic of aluminum and silicon was formed in the portion where the crystalline silicon particles were in contact with the conductive substrate, and exhibited strong adhesive strength.
さらに、この上から結晶シリコン粒子同士の間に、それらの上部を露出させてポリイミド樹脂から成る絶縁物質を塗布し乾燥させて、下部電極となる導電性基板と、上部電極となる透光性導体層とを電気的に絶縁分離するようにした。この上に上部電極膜としての透光性導体層を、スパッタリング法によって全面に約100nmの厚みで形成した。 Furthermore, between the crystalline silicon particles from above, an upper portion of them is exposed, an insulating material made of polyimide resin is applied and dried, and a conductive substrate that becomes the lower electrode, and a translucent conductor that becomes the upper electrode The layers were electrically isolated from each other. A translucent conductor layer as an upper electrode film was formed on the entire surface with a thickness of about 100 nm by sputtering.
最後に、銀ペーストをディスペンサーでグリッド状にパターン形成して、フィンガー電極及びバスバー電極からなる電極を形成した。なお、この銀ペーストのパターンは、大気中500℃で焼成を行った。 Finally, silver paste was patterned in a grid shape with a dispenser to form an electrode composed of finger electrodes and bus bar electrodes. The silver paste pattern was fired at 500 ° C. in the atmosphere.
そして、上記のように本発明の光電変換装置を製造するに際して、結晶シリコン粒子表面の加工変質層形成工程の有無、窒化珪素膜の形成工程の有無、酸素ガスまたは混合ガス中での溶融工程の区別をし、さらに、結晶シリコン粒子を石英ガラス製の箱状の台板上に1層で載置した状態、または細密充填で重層的に載置した状態として単結晶化した際の結晶シリコン粒子の合体率を調べた。その結果を、実施例1〜4及び比較例1,2として、表1に示す。 And when manufacturing the photoelectric conversion device of the present invention as described above, the presence or absence of a work-affected layer forming step on the surface of crystalline silicon particles, the presence or absence of a silicon nitride film forming step, a melting step in oxygen gas or a mixed gas In addition, the crystalline silicon particles are single-crystallized in a state where the crystalline silicon particles are placed in a single layer on a quartz glass box-shaped base plate, or in a state of being placed in multiple layers in close packing. The coalescence rate of was examined. The results are shown in Table 1 as Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2.
また、上記の製造方法によって得られた本発明の光電変換装置の実施例1〜4及び比較例1,2について、AM1.5のソーラーシミュレーターで光電変換装置の電気特性を示す光電変換効率(単位:%)(表1において「変換効率」で表す)を測定した。その結果を表1に示す。
表1に示す通り、結晶シリコン粒子の表面に研磨による加工変質層を形成せずに酸素ガスから成る雰囲気ガス中で結晶シリコン粒子の表面に酸化珪素膜を形成して溶融、凝固させて作製した結晶シリコン粒子(比較例1,2)、及び窒化珪素膜を形成せずに酸素ガスから成る雰囲気ガス中で結晶シリコン粒子の表面に酸化珪素膜を形成して溶融、凝固させて作製した結晶シリコン粒子(比較例3,4)と比較して、結晶シリコン粒子の表面に研磨による加工変質層を形成し、結晶シリコン粒子の表面に窒化珪素膜を形成し、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは混合ガス(酸素ガス及び不活性ガス)から成る雰囲気ガス中で溶融、凝固させて作製した結晶シリコン粒子(実施例1〜4)では、いずれも比較例1〜4に比べて合体率が低く、良好な結果であった。 As shown in Table 1, a silicon oxide film was formed on the surface of the crystalline silicon particles in an atmosphere gas composed of oxygen gas without forming a work-affected layer by polishing on the surface of the crystalline silicon particles, and was prepared by melting and solidifying. Crystalline silicon particles (Comparative Examples 1 and 2) and crystalline silicon produced by forming and melting and solidifying a silicon oxide film on the surface of crystalline silicon particles in an atmospheric gas composed of oxygen gas without forming a silicon nitride film Compared with the particles (Comparative Examples 3 and 4), a work-affected layer is formed by polishing on the surface of the crystalline silicon particles, a silicon nitride film is formed on the surface of the crystalline silicon particles, and an atmospheric gas or mixed gas composed of oxygen gas In the crystalline silicon particles (Examples 1 to 4) produced by melting and solidifying in an atmospheric gas composed of (oxygen gas and inert gas), the coalescence rate is low compared with Comparative Examples 1 to 4 and good It was the result.
なお、実施例3の合体率が実施例1の合体率よりも大きいこと、及び実施例4の合体率が実施例2の合体率よりも大きいことの原因は、アルゴンガスを雰囲気ガス中に用いたため、窒化珪素膜の表面結合状態が変わり、結晶シリコン粒子の表面張力も変化してより合体しやすくなったためと考えられる。 The reason why the coalescence rate of Example 3 is larger than the coalescence rate of Example 1 and the coalescence rate of Example 4 is larger than the coalescence rate of Example 2 is that argon gas is used in the atmospheric gas. Therefore, it is considered that the surface bonding state of the silicon nitride film has changed and the surface tension of the crystalline silicon particles has also changed, making it easier to unite.
また、比較例1〜4に対して実施例1〜4では変換効率が高く良好な結果であった。 Moreover, in Examples 1-4, the conversion efficiency was high and it was a favorable result with respect to Comparative Examples 1-4.
なお、実施例1,2の変換効率が、実施例3,4の変換効率よりも大きいのは、結晶シリコン粒子の粒子同士の接触部でのサブグレイン発生等による結晶劣化が低減されたためと考えられる。 The reason why the conversion efficiencies of Examples 1 and 2 are larger than the conversion efficiencies of Examples 3 and 4 is that crystal deterioration due to the occurrence of subgrains at the contact portion between the crystalline silicon particles is reduced. It is done.
なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、結晶シリコン粒子を加熱して溶融させるのに、加熱炉ではなく、台板の上面に載置した結晶シリコン粒子の上方から光エネルギーを照射することで溶融させる方式を用いてもよい。 In addition, this invention is not limited to the above embodiment and Example, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in order to heat and melt the crystalline silicon particles, a method of melting by irradiating light energy from above the crystalline silicon particles placed on the upper surface of the base plate instead of a heating furnace may be used.
101・・・結晶シリコン粒子
201・・・下側回転定盤
202・・・上側回転定盤
203・・・遊離砥粒
301・・・台板
406・・・結晶シリコン粒子
407・・・導電性基板
408・・・接合層
409・・・絶縁物質
410・・・半導体層
411・・・透光性導体層
412・・・電極
101 ...
Claims (4)
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JP2006321796A JP2009292652A (en) | 2006-11-29 | 2006-11-29 | Production method of crystalline silicon grain |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2011191198A (en) * | 2010-03-15 | 2011-09-29 | Oki Semiconductor Co Ltd | Method for manufacturing semiconductor device |
WO2013001308A3 (en) * | 2011-06-29 | 2013-06-06 | Norwegian University Of Science And Technology (Ntnu) | Purified silicon |
-
2006
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