特許 6626478 シリコンインゴット作製用の容器およびその製造方法、ならびに結晶シリコンインゴットを製造するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6626478

(24)【登録日】2019年12月6日

(45)【発行日】2019年12月25日

(54)【発明の名称】シリコンインゴット作製用の容器およびその製造方法、ならびに結晶シリコンインゴットを製造するための方法

(51)【国際特許分類】

   C01B 33/021 20060101AFI20191216BHJP

   C01B 21/082 20060101ALI20191216BHJP

【ＦＩ】

   C01B33/021

   C01B21/082 D

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-142563(P2017-142563)

(22)【出願日】2017年7月24日

(65)【公開番号】特開2018-30774(P2018-30774A)

(43)【公開日】2018年3月1日

【審査請求日】2017年7月24日

(31)【優先権主張番号】62/368178

(32)【優先日】2016年7月29日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】15/633777

(32)【優先日】2017年6月27日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514213682

【氏名又は名称】友達晶材股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＡＵＯ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100093997

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀佳

(72)【発明者】

【氏名】余 昌和

(72)【発明者】

【氏名】陳 ▲彦▼銘

【審査官】 小野 久子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０９０５４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−２６９７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７８８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／１９２１６３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３３／００−３３／１９３

Ｃ０１Ｂ ２１／０８２

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

石英を含む下地層と、
前記下地層の内面を覆うバリア層とを有し、前記下地層と前記バリア層は、前記バリア層と前記下地層との間に付着力を与える原子結合によって接合され、かつ、前記バリア層が、ＳｉｘＮｙＯｚ、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１で表される酸窒化シリコンを有し、
前記下地層が気泡複合材料層と気泡を含まない層とを有し、前記気泡を含まない層が前記気泡複合材料層と前記バリア層との間にあり、前記気泡を含まない層の一部が前記バリア層を構成する、容器。

【請求項2】

前記バリア層の厚さが２０μｍ〜１５０μｍである、請求項１に記載の容器。

【請求項3】

前記バリア層が窒化シリコンを含む、請求項１または２に記載の容器。

【請求項4】

前記バリア層と前記下地層との間の前記付着力が３０ＭＰａよりも大きい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の容器。

【請求項5】

前記バリア層が粗面化された表面を有し、前記バリア層の粒径が１５μｍ〜５５μｍの範囲内にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載の容器。

【請求項6】

シリコンインゴット作製のための容器を製造するための方法であって、
石英からなる下地層をチャンバ内に準備し、
粉末溶液層を前記下地層の内面の上にコーティングし、ここで前記粉末溶液層は窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、炭素、またはシリコンを含み、
前記下地層の一部が、ＳｉｘＮｙＯｚ、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１で表される酸窒化シリコンを含むバリア層を形成するように、前記チャンバに窒素ガスを２時間〜８時間供給しながら、前記粉末溶液層を上にコーティングした前記下地層を１０００℃〜１７００℃の温度に加熱する方法。

【請求項7】

前記バリア層が結晶成長によって形成される請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記バリア層が粗面化された表面を有し、前記バリア層の粒径が１５μｍ〜５５μｍの範囲内にある請求項６または７に記載の方法。

【請求項9】

前記下地層が気泡複合材料層および気泡を含まない層を有し、前記気泡を含まない層が前記バリア層の前記形成に寄与する請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項10】

結晶シリコンインゴットを製造するための方法であって、
シリコン材料を容器に入れ、ここで前記容器は石英を含む下地層と前記下地層の内面を覆うバリア層とを有し、前記下地層および前記バリア層は、前記バリア層と前記下地層との間に付着力を与える原子結合によって接合され、前記バリア層が、ＳｉｘＮｙＯｚ、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１で表される酸窒化シリコンを含み、前記バリア層は、窒素雰囲気下で前記下地層と粉末溶液層とを反応させて形成され、前記粉末溶液層は、窒化シリコン、炭素、又はシリコンを含み、前記下地層の一部は前記バリア層を構成し、
前記シリコン材料を加熱および溶融してシリコン溶融体を形成し、
前記シリコン溶融体を固化して結晶シリコンインゴットを形成する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に容器およびその製造方法に関し、特に、シリコンインゴット作製のための容器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の結晶シリコン太陽電池に適用される結晶シリコンウエハは、一般に結晶シリコンインゴットを切断することによって形成される。シリコンインゴットは、容器の中でシリコン材料を加熱し、溶融したシリコンを得ることによって製造することができる。その後、溶融シリコンは冷却され、凝縮されて、結晶シリコンインゴットを形成する。しかし、加熱プロセス中に、容器中の分子が結晶シリコンインゴットに拡散することで、得られた結晶シリコンインゴットに高濃度の不純物が含まれるかもしれない。そうすると、作製された太陽電池の光電変換効率が高濃度の不純物を有する結晶シリコンインゴットを使用することで脅かされることになる。そのため、結晶シリコンインゴットの製造プロセス中に生成される結晶シリコンインゴット中の不純物を減らすことが、当分野の研究者にとって重要な課題となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

本発明は、シリコンインゴット中の不純物を効果的に減らすことのできる、シリコンインゴット作製のための容器およびその製造方法を提供する。さらに、結晶シリコンインゴットを製造するための方法も提供される。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明は、シリコンインゴット作製のための容器を提供する。容器には、下地層と、下地層の内面を覆うバリア層が含まれる。下地層には石英が含まれる。バリア層および下地層は、バリア層と下地層との間に付着力を与える原子結合によって接合される。バリア層には、ＳｉｘＮｙＯｚ、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１で表される酸窒化シリコンが含まれる。

【0005】

本発明は、シリコンインゴット作製のための容器を製造するための方法を提供する。本方法には、次の工程が含まれる。石英からなる下地層をチャンバ内に準備する。粉末溶液層を、下地層の内面にコーティングする。粉末溶液層には、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭素、またはシリコンが含まれる。粉末溶液層を上にコーティングした下地層を、チャンバに反応ガスを２時間〜８時間供給しながら１０００℃〜１７００℃の温度に加熱して下地層の一部にバリア層を形成させる。

【0006】

本発明は、結晶シリコンインゴットを製造するための方法を提供する。本方法には、次の工程が含まれる。シリコン材料を容器の中に入れる。容器は、下地層と下地層の内面を覆うバリア層を有する。下地層には石英が含まれる。バリア層および下地層は、バリア層と下地層との間に付着力を与える原子結合によって接合される。バリア層には、ＳｉｘＮｙＯｚ、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１で表される酸窒化シリコンが含まれる。その後、シリコン材料を加熱し、溶融させて、シリコン溶融体を形成する。シリコン溶融体を固化して結晶シリコンインゴットを形成する。

【発明の効果】

【0007】

したがって、下地層の内面を覆うバリア層を形成することによって、容器の原子は、その後に形成される結晶シリコンインゴットに拡散しにくい。言い換えれば、バリア層は、結晶シリコンインゴット中の不純物の量を減らすように、容器由来の不純物の拡散を抑制する。したがって、結晶シリコンインゴットの質を改善することができ、前記結晶シリコンインゴットを使用して作製した太陽電池の効率も増強することができる。

【0008】

本発明の上記およびその他の特徴および利点をより分かりやすくするために、図を伴う実施形態を以下の通り詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部をなす。図面は、本発明の実施形態を例示し、説明とともに、本発明に原理を説明する働きをする。

【0010】

【図1】本発明の一実施形態による結晶シリコンインゴット成長システムを示す概略図を示す図である。

【0011】

【図2A】本発明の一実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図2B】本発明の一実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図2C】本発明の一実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図2D】本発明の一実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【0012】

【図3A】結晶シリコンインゴットと、図２Ａ〜図２Ｄに従って製造した容器との間の界面の光学顕微鏡写真を示す図である。

【0013】

【図3B】結晶シリコンインゴットと、バリア層を含まない従来容器との間の界面の光学顕微鏡写真を示す図である。

【0014】

【図4A】本発明の別の実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図4B】本発明の別の実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図4C】本発明の別の実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【図4D】本発明の別の実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図を示す図である。

【0015】

【図5A】結晶シリコンインゴットと、図４Ａ〜図４Ｄに従って製造した容器との間の界面の光学顕微鏡写真を示す図である。

【0016】

【図5B】結晶シリコンインゴットと、バリア層を含まない従来容器との間の界面の光学顕微鏡写真を示す図である。

【0017】

【図6】本発明の別の実施形態による結晶シリコンインゴット成長システムを示す概略図を示す図である。

【発明の詳細な説明】

【0018】

本発明の本実施形態への詳しい言及が行われ、その例は添付の図面に示される。可能な限り、同じ参照番号を図面および説明中で使用して同様の部品を言及する。

【0019】

図１は、本発明の一実施形態による結晶シリコンインゴット成長システムを示す概略図である。図１を参照すると、結晶シリコンインゴット成長システムには、容器１００、結晶シリコンインゴット２００、および熱源３００が含まれる。容器１００には、内面１００ａと外面１００ｂが含まれる。結晶シリコンインゴット２００は、容器１００に含まれ、容器１００の内面１００ａの上に形成される。熱源３００は、一定の距離で容器１００から離れていて、熱放射（熱エネルギー）Ｈを容器１００に与える。熱源３００は、例えば、グラファイトヒーターである。結晶シリコンインゴット２００は、次の工程によって形成されてよい。まず、シリコン材料（図示せず）を容器１００の中に入れる。その後、熱源３００によって与えられる熱放射Ｈによって、容器１００に含まれるシリコン材料を加熱し、溶融させて、シリコン溶融体を形成する。その後、シリコン溶融体を固化して結晶シリコンインゴット２００を形成する。一部の実施形態では、結晶シリコンインゴット２００を形成する工程は、結晶シリコンインゴット２００および容器１００が互いに離れるように、容器１００および結晶シリコンインゴット２００を異なる方向で回転させることを含む。例えば、容器１００は時計回りの方向に回転させてよく、一方、結晶シリコンインゴット２００は反時計回りの方向に回転させてよい。

【0020】

容器１００は、例えば、シリコンインゴット成長のためのるつぼである。容器１００には、下地層１１０およびバリア層１１２が含まれる。下地層１１０は、石英からなっていてよい。一部の実施形態では、下地層１１０は、純粋な二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなるが、それは本発明において制限と解釈されない。一部の代替実施形態では、下地層１１０には、ＳｉＯ_２以外の分子が含まれてもよい。例えば、下地層１１０には、炭化シリコン（ＳｉＣ）または窒化シリコン（ＳｉＮ）も含まれてもよい。下地層１１０には、気泡複合材料層１０２および気泡を含まない層１０４が含まれる。気泡複合材料層１０２の方が熱源３００に近く、気泡を含まない層１０４の方が結晶シリコンインゴット２００に近い。言い換えれば、気泡を含まない層１０４は、気泡複合材料層１０２と結晶シリコンインゴット２００（またはバリア層１１２）の間に位置する。気泡複合材料層１０２は、複数の気泡を包含し（図示せず）、一方、気泡を含まない層１０４は、気泡が中に形成されていない、実質的に中実構造である。代替実施形態では、気泡を含まない層１０４は、それでも少数の気泡を含む（図示せず）。つまり、気泡を含まない層１０４の気泡の密度は、気泡複合材料層１０２気泡の密度よりも低い。気泡複合材料層１０２の気泡は、熱源３００によって与えられる熱放射Ｈを散乱させることがある。言い換えれば、気泡複合材料層１０２の気泡は、熱放射Ｈが全方向に移動して均一な加熱を達成することを助ける。そのため、結晶シリコンインゴット２００の均一な成長を達成することができる。他方、加熱によって、結晶シリコンインゴット２００に近い下地層１１０は溶融することがある。下地層１１０を強化するために、気泡を含まない層１０４を結晶シリコンインゴット２００に近い側に形成する。気泡を含まない層１０４は密度が高いので、下地層１１０の耐久性および耐熱性を強化することができ、それにより容器１００の耐用年数を延長することができる。

【0021】

下地層１１０は、結晶シリコンインゴット２００に面している内面１１０ａを有する。バリア層１１２は、下地層１１０の内面１１０ａの上に形成される。言い換えれば、バリア層１１２は、下地層１１０と結晶シリコンインゴット２００に挟まれている。バリア層１１２は、実質的に、ＳｉｘＮｙＯｚ（式中、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１である）で表される酸窒化シリコンからなる。バリア層１１２が酸窒化シリコンからなり、下地層１１０が二酸化シリコンからなるので、これらの２つの層の格子のマッチングを観察することができる。言い換えれば、バリア層１１２および下地層１１０は、バリア層１１２と下地層１１０との間に強い付着力を与える原子結合によって接合される。バリア層１１２と下地層１１０との間の強い付着力は、容器１００と結晶シリコンインゴット２００との間の相対回転の剪断応力のためにバリア層１１２の一部が剥離することを防ぐことができる。一部の実施形態では、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、３０ＭＰａよりも大きいことがある。例えば、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、５０ＭＰａ〜６０ＭＰａでありうる。一方、バリア層１１２は焼結および結晶化プロセスによって形成されているので、その厚さは比較的薄いことがある。例えば、バリア層１１２の厚さは２０μｍ〜１５０μｍであってよい。一部の実施形態では、バリア層１１２は、６０μｍ〜１００μｍの厚さを有することが好ましい。さらに、バリア層１１２は、粒径が１５μｍ〜５５μｍの範囲内にある楕円状の粒表面形状が観察される粗面化された表面を有する。例えば、一部の実施形態では、バリア層１１２の粗面化された表面の粒径は、２８μｍ〜４３μｍの範囲内でありうる。バリア層１１２は、不純物（例えば、酸素原子）が下地層１１０から結晶シリコンインゴット２００に拡散することを防ぐことができる。よって、得られる結晶シリコンインゴット２００の品質を改善することができる。得られた結晶シリコンインゴット２００は、さいの目に切断されて複数の結晶シリコンウエハを形成することができる。結晶シリコンウエハは、その後、電子デバイスを製造するために使用される。そのため、結晶シリコンインゴット２００を利用することによって製造された装置の性能も同様に強化されることになる。バリア層１１２を形成する方法は、以下に詳細に説明される。

【0022】

図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一実施形態による容器１００の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図である。図２Ａを参照すると、下地層１１０がチャンバＣに準備される。チャンバＣには、後のプロセスで反応ガスを供給するための管Ｐが含まれる。本実施形態では、下地層１１０は石英（ＳｉＯ_２）からなり、気泡複合材料層１０２および気泡を含まない層１０４を含む。本実施形態では、気泡複合材料層１０２の厚さは、実質的に、気泡を含まない層１０４の厚さと等しい。しかしながら、それは本発明において制限と解釈されない。一部の代替実施形態では、気泡を含まない層１０４の厚さは、気泡複合材料層１０２の厚さよりも小さくてよい。粉末溶液層１０６は、大気条件（７６０トルおよび１００℃）下で下地層１１０の内面１１０ａの上にコーティングされる。粉末溶液層１０６のための粉末溶液は、例えば、粉末を溶媒に溶解することによって調製されてよい。本実施形態では、粉末には窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）粒子が含まれる。一方、溶媒には蒸留水、エタノール、またはメタノールが含まれてよい。さらに、偏析係数の低い分散剤または結合剤が含まれてよい。粉末溶液層１０６がコーティングされた下地層１１０は、３０分間放置される。

【0023】

図２Ｂを参照すると、熱エネルギーＴがチャンバＣに与えられる。具体的には、チャンバＣは１０００℃〜１７００℃の温度に加熱される。好ましい実施形態では、チャンバＣは１４００℃〜１６００℃の温度に加熱される。その間に、反応ガスＧが管Ｐを通じてチャンバＣに供給される。反応ガスＧは、例えば窒素ガスである。チャンバＣは２０トル〜２００トルの範囲の圧力に保たれ、そして下地層１１０が２時間〜８時間の間粉末溶液と反応させられる。さらに、別の実施形態では、４時間〜６時間の反応時間でチャンバＣが５０トル〜１００トルの範囲の圧力に保たれることが好ましい。下地層１１０と粉末溶液との間の反応は窒素富化環境（高濃度の窒素ガス）で起こるので、下地層１１０の中の酸素原子と、粉末溶液層１０６と反応ガスＧに由来する窒素原子との間で内部拡散が起こって、図２Ｃに例示されるように下地層１１０の内面１１０ａの上にバリア層１１２が形成されることがある。バリア層１１２は、実質的に酸窒化シリコンで構成される。一部の実施形態では、バリア層１１２には、純粋な酸窒化シリコンが含まれる。一部の代替実施形態では、酸窒化シリコンに加えて窒化シリコンや酸化シリコンのようなわずかな量の微量化合物がバリア層１１２に形成されることがある。通常、窒化シリコンはバリア層１１２において見出されることがある。バリア層１１２の酸窒化シリコンの分子式は、ＳｉｘＮｙＯｚ（式中、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１である）によって表されることができる。バリア層１１２は、焼結および内部拡散によって形成されるので、バリア層１１２および下地層１１０は、バリア層１１２と下地層１１０との間に付着力を与える原子結合によって接合される。例えば、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、３０ＭＰａよりも大きくすることができる。一部の実施形態では、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、５０ＭＰａ〜６０ＭＰａの範囲にすることができる。さらに、バリア層１１２の厚さは比較的薄くてよく、その厚さは２０μｍ〜１５０μｍの範囲内であってよく、より好ましくは６０μｍ〜１００μｍの範囲内であってよい。さらに、バリア層１１２は結晶成長によって形成されるので、当該バリア層１１２は、粒径が１５μｍ〜５５μｍの範囲内にある楕円状の粒表面形状が観察される粗面化された表面を有する。言い換えれば、結晶粒子または結晶粒を、バリア層１１２の表面に見出すことができる。一部の実施形態では、反応パラメータを調節することによって、バリア層１１２の表面の結晶粒子または結晶粒の配向を制御することが可能である。例えば、バリア層１１２の表面上の結晶のｘ、ｙ、およびｚ方向の配向は、特定の表面特性を得るように制御することができる。上述のように、本発明の実施形態において、バリア層１１２の成長前、気泡複合材料層１０２の厚さは、気泡を含まない層１０４の厚さと実質的に等しい。しかしながら、気泡を含まない層１０４および粉末溶液層１０６は両方ともバリア層１１２を形成する反応に寄与するので、これらの２つの層の厚さは、図２Ｃに示されるようにバリア層１１２が形成された後に、わずかに減少することに留意する必要がある。言い換えれば、気泡を含まない層１０４の一部はバリア層１１２となり、反応した気泡を含まない層１０４は未反応の気泡複合材料層１０２と比較して厚さが薄い。さらに、チャンバＣに与えられる熱エネルギーＴは、Ｓｉ_３Ｎ_４粒子の残っている未反応残留物を含む残余層１０８を形成するように、粉末溶液層１０６中の溶媒を蒸発させることができる。Ｓｉ_３Ｎ_４の未反応残留物は粉末の形態をとることがある。

【0024】

図２Ｄを参照すると、バリア層１１２が形成された後に、残余層１０８が除去される。Ｓｉ_３Ｎ_４の未反応残留物は粉末の形態であるので、残余層１０８はスクレイピングまたはエアの吹き付けによって除去することができる。

【0025】

図３Ａは、結晶シリコンインゴット２００と、図２Ａ〜図２Ｄに従って製造された容器１００との間の境界面の光学顕微鏡写真である。図３Ｂは、結晶シリコンインゴット２００と、バリア層を含まない従来の容器１００’との間の境界面の光学顕微鏡写真である。図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、濡れ試験が、結晶シリコンインゴット２００と、容器１００、１００’との間の境界面で実施される。結晶シリコンインゴット２００と容器１００、１００’との間の接触角θは、ヤング−デュプレの式：
γ_ＳＧ＝γ_ＳＬ＋γ_ＬＧｃｏｓθ
（式中、γ_ＳＧ、γ_ＳＬ、およびγ_ＬＧは表面張力である）によって計算することができる。図３Ａおよび図３Ｂに示されるように、図３Ａの結晶シリコンインゴット２００のバリア層１１２との接触角θは１０８°であるが、図３Ｂの結晶シリコンインゴット２００の容器１００’との接触角θは６２°である。言い換えれば、バリア層１１２は、結晶シリコンインゴット２００と容器１００との間の相互作用を防ぐことができる。さらに、結晶シリコンインゴット２００と容器１００、１００’との間の境界面に近い結晶シリコンインゴット２００中の格子間酸素含有量は、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）によって測定された。図３Ａの実施形態において、格子間酸素含有量は、約１２．３５原子百万分率（ｐｐｍａ）である。反対に、図３Ｂの格子間酸素含有量は、約１９．７３ｐｐｍａである。これらの実験値から、バリア層１１２が、下地層１１０から結晶シリコンインゴット２００への不純物（例えば、酸素原子）の拡散を効果的に防止することができることがさらに確認される。

【0026】

図４Ａ〜図４Ｄは、本発明の別の実施形態による容器の製造工程を示す図１の領域Ｒにおける容器の拡大図である。図４Ａ〜図４Ｄを参照すると、この実施形態は、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態に類似し、本発明の実施形態では、粉末溶液層１０６の粉末が炭素でありうる点が異なっている。本実施形態では、炭素原子は、シリコン還元の触媒として作用する。詳細には、粉末溶液層１０６中の炭素原子は、下地層１１０の二酸化シリコンが炭素熱還元を受けて遊離シリコン原子になるのを助ける。その他の実施形態では、粉末溶液層１０６の粉末は、純粋なシリコンであってよい。粉末溶液層１０６のシリコン粉末も、次の工程のための遊離シリコン原子を与える。その後、遊離シリコン原子は、管Ｐによって供給される窒素ガス（反応ガスＧ）および下地層１１０の酸素原子と反応して、下地層１１０の内面１１０ａの上にバリア層１１２を形成することがある。言い換えれば、下地層１１０の一部はバリア層１１２となる。この実施形態の反応パラメータは、図２Ａ〜図２Ｄの実施形態の反応パラメータと同じであってよいことに留意する必要がある。

【0027】

図２Ａ〜図２Ｄの実施形態と同様に、バリア層１１２中の酸窒化シリコンの分子式は、ＳｉｘＮｙＯｚ（式中、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１である）によって表すことができる。バリア層１１２は焼結および結晶成長によって形成されるので、バリア層１１２と下地層１１０は、バリア層１１２と下地層１１０との間に付着力を与える原子結合によって接合される。例えば、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、３０ＭＰａよりも大きくすることができる。一部の実施形態では、バリア層１１２と下地層１１０との間の付着力は、５０ＭＰａ〜６０ＭＰａの間の範囲にすることができる。さらに、バリア層１１２の厚さは比較的薄くすることができ、その厚さは２０μｍ〜１５０μｍの範囲内、より好ましくは６０μｍ〜１００μｍの範囲内にすることができる。さらに、バリア層１１２は結晶成長によって形成されるので、バリア層１１２は、粒径が１５μｍ〜５５μｍの範囲内になる楕円状の粒表面形状が観察される粗面化された表面を有する。言い換えれば、結晶粒子または結晶粒を、バリア層１１２の表面に見出すことができる。気泡を含まない層１０４はバリア層１１２を形成する反応に寄与するので、図４Ｃに示されるように、気泡を含まない層１０４の厚さはバリア層１１２が形成された後にわずかに減少することに留意する必要がある。一方、粉末溶液層１０６中の炭素原子は、単に触媒として作用するので、粉末溶液層１０６の厚さの低下は溶媒の蒸発だけに由来する。

【0028】

図５Ａは、結晶シリコンインゴット２００と、図４Ａ〜図４Ｄに従って製造した容器１００との間の境界面の光学顕微鏡写真である。図５Ｂは、結晶シリコンインゴット２００と、バリア層を含まない従来の容器１００’との間の境界面の光学顕微鏡写真である。図３Ａおよび図３Ｂと同様に、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、濡れ試験は、結晶シリコンインゴット２００と容器１００、１００’との間の境界面で実施される。図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、図５Ａの結晶シリコンインゴット２００のバリア層１１２との接触角θは９６°であるが、図５Ｂの結晶シリコンインゴット２００の容器１００’との接触角θは６７°である。言い換えれば、バリア層１１２は、結晶シリコンインゴット２００と容器１００との間の相互作用を防ぐことができる。さらに、結晶シリコンインゴット２００と容器１００、１００’との間の境界面に近い結晶シリコンインゴット２００中の平均酸素含有量が、不活性ガス融解分析法（ＩＧＦＡ）によって測定された。図５Ａの実施形態において、平均酸素含有量は約１５重量百万分率（ｐｐｍｗ）である。反対に、図５Ｂの平均酸素含有量は約２２ｐｐｍｗである。これらの実験値から、バリア層１１２が、下地層１１０から結晶シリコンインゴット２００への不純物（例えば、酸素原子）の拡散を効果的に防止することができることがさらに確認される。

【0029】

上述のように、バリア層１１２は、本発明の実施形態において結晶成長によって形成される。そのため、本発明のバリア層１１２は、コーティング技術によって下地層１１０の上に形成された酸窒化シリコン層とは異なる性質を示すことになる。結晶成長によって形成された本発明のバリア層１１２、コーティング技術によって形成された酸窒化シリコン層（比較例１）、およびコーティング技術と焼結によって形成された酸窒化シリコン層（比較例２）の比較を下の表１に示す。

【0030】

比較例１では、酸窒化シリコン粉末（粉末粒子の平均粒径は５μｍである）を、溶媒（例えば、蒸留水）に溶解して酸窒化シリコン溶液を形成し、次に酸窒化シリコン溶液を５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの寸法の石英基板の上にコーティングした。比較例２では、比較例１の石英基板の上に酸窒化シリコン層をコーティングしたものが準備された。酸窒化シリコン層をコーティングした石英基板が１５００℃の温度に加熱された。

【0031】

【表1】

【0032】

付着試験は、５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの寸法のサンプルを、蒸留水を満たした超音波処理装置の槽に浸漬することによって実施した。超音波処理装置の槽の中の蒸留水の温度は２５℃である。その後、超音波処理装置の槽の電源を入れ、４００Ｗの電力を加えて超音波処理装置の槽を４０ｋＨｚの周波数で１５分間振動させる。サンプルの表面を検査する。

【0033】

表１で明らかに示されるように、バリア層１１２の表面上の粒子の粒径は、コーティングによって形成された酸窒化シリコン層の粒径よりも大きい。言い換えれば、本発明のバリア層１１２は、粗さの大きい表面形状を有する。一方、本発明の実施形態において結晶成長によって形成されたバリア層１１２の厚さは、比較例１の酸窒化シリコン層よりも著しく薄い。さらに、付着試験の後、残留物はなお本発明のバリア層１１２の上で見つけられるが、比較例１では全ての残留物が除去されている。ちなみに、比較例２の酸窒化シリコン層は、焼結後は亀裂または亀裂状である。そのため、比較例２の全ての残留物は、付着試験の後に除去される。言い換えれば、本発明の実施形態におけるバリア層１１２と下地層１１０との間の付着は、コーティング技術によって形成された酸窒化シリコン層と下地層１１０との間の付着よりも著しく強い。

【0034】

比較例２の酸窒化シリコン層の亀裂は、酸窒化シリコン層と石英基板との間の熱膨張係数の不一致に起因して、焼結後に観察されることに留意する必要がある。実際的には、比較例１および２の酸窒化シリコン層の残留物は、シリコンインゴット中の不純物の量を増やすように、その後形成されるシリコンインゴットを汚染することになる。

【0035】

図６は、本発明の別の実施形態による結晶シリコンインゴット成長システムを示す概略図である。図６を参照すると、この実施形態は図１の実施形態に類似し、本発明の実施形態では、容器１００が、下地層１１０の外面１１０ｂの上に形成された保護層１１４をさらに含む点が異なる。保護層１１４の材料および製造方法は、バリア層１１２のものと同一であってよい。言い換えれば、保護層１１４は、実質的に酸窒化シリコンで構成される。保護層１１４の酸窒化シリコンの分子式は、ＳｉｘＮｙＯｚ（式中、１≦ｘ≦２、１≦ｙ≦２、および０．１≦ｚ≦１である）によって表すことができる。保護層１１４は、図２Ａ〜図２Ｄまたは図４Ａ〜図４Ｄに示される方法によって製造することができる。上述のように、熱源３００は、グラファイトヒーターであってよい。熱放射Ｈを与えるプロセスの間、熱源３００の不純物が放出されることがある。これらの不純物は、容器１００の外面１００ｂを汚染し、容器１００の結晶化および亀裂を引き起こすことがある。そのため、保護層１１４を下地層１１０の外面１１０ｂの上に形成することによって、容器１００に亀裂を引き起こす相互作用を防ぐことができる。そのため、容器１００の耐用年数を効果的に延長することができる。

【0036】

まとめると、バリア層は、結晶シリコンインゴット中の不純物の量を減らすように、容器から出た不純物の拡散を抑制する。したがって、結晶シリコンインゴットの品質を改善することができ、前記結晶シリコンインゴットを使用して作製した太陽電池の効率も増強することができる。さらに、バリア層と下地層との間の付着力は、バリア層の一部が、容器と結晶シリコンインゴットとの間の相対回転の剪断応力のために剥離するのを防ぐことができる。結晶シリコンインゴットの品質はさらに改善することができる。

【0037】

当業者であれば、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、本発明の構造に様々な変更および改変を行うことができることは明らかである。前述の内容を考えると、以下の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるならば、本発明は本発明の変更形態および改変形態を包含することを意図する。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本開示において、バリア層は、結晶シリコンインゴット中の不純物の量を減らすように、容器から出た不純物の拡散を抑制する。したがって、結晶シリコンインゴットの品質を改善することができ、前記結晶シリコンインゴットを使用して作製した太陽電池の効率も増強することができる。そのため、本開示の容器から作製するシリコンインゴットは、様々な半導体産業、例えば太陽エネルギー産業、ディスプレイパネル産業、メモリ装置産業などに使用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１００、１００’：容器
１００ａ：内面
１００ｂ：外面
１０２：気泡複合材料層
１０４：気泡を含まない層
１０６：粉末溶液層
１０８：残余層
１１０：下地層
１１０ａ：内面
１１０ｂ：外面
１１２：バリア層
１１４：保護層
２００、２００’ ：結晶シリコンインゴット
３００：熱源
Ｃ：チャンバ
Ｇ：反応ガス
Ｈ：熱放射
Ｔ：熱エネルギー
Ｐ：管
Ｒ：領域
θ：接触角
γ_ＳＧ、γ_ＳＬ、およびγ_ＬＧ：表面張力

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図6】