[发明专利]单晶制造装置和单晶制造方法

说明书

本发明的目的在于制造无晶粒边界的大型的单晶，所述单晶是在垂直方向和水平方向上均为具有最佳添加物浓度的均质组成且负晶和出溶片晶少的高品质的单晶。本发明的单晶制造装置至少具备在底部设置种晶的石英坩埚、向所述石英坩埚内供给粉末原料的粉末原料供给元件、向介由所述粉末原料供给元件而供给至石英坩埚内的粉末原料照射红外线的红外线照射元件，从所述红外线照射元件向所述石英坩埚内照射红外线来使所述粉末原料熔融和固化，藉此在所述石英坩埚内制造单晶，所述单晶制造装置如下配置：边用所述粉末原料供给元件向石英坩埚内供给粉末原料边用红外线照射元件向所述被供给的粉末原料照射红外线，同时所述粉末原料供给元件根据熔融的粉末原料的固化分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

技术领域

本发明涉及将组成均质化为最佳组成并高效地制造例如直径超过800～1000mm的大型的单晶的单晶制造装置、以及使用该单晶制造装置来制造大型的单晶的单晶制造方法。

背景技术

在利用太阳能发电以用作电能的所谓的太阳能电池产业中，作为将太阳光转换为电能的材料，研究了各种材料并进行实用化，但大部分市场由硅占据。

使用了太阳能电池的发电成本相比以往虽大幅降低，但依然明显高于使用化石能源的火电厂、水电厂或核电厂等的发电成本，因此要求进一步削减成本。

使用半导体硅的太阳能电池中，硅单晶基板的价格占总体的比例高，正在探索以低廉价格制造高性能的硅单晶基板的制造方法。

另一方面，也正在探讨使用硅单晶基板从太阳能中高效地提取电能的方式，最近对于向作为原料的硅中添加磷而得的N型硅单晶基板的期待越来越高。

具体而言，组合使用了能够在较短波长范围内使用的非晶质硅和能够在较长波长范围内使用的添加了磷的N型硅单晶的称作HIT型的方式能够实现高转换效率，受到的期待越来越多。

为将半导体硅用作太阳能电池，不论是添加了硼的P型或添加了磷的N型，前述的作为高效率太阳能电池而受到期待的HIT型中都需要N型硅单晶基板。进一步，将在基板的两面进行配置的电极仅配置在背面而能够高效利用太阳光的方式也与HIT型同样，需要N型硅单晶基板。

以往的使用半导体硅的太阳能电池产业中，作为原材料，整体维持相同的取向关系的单晶能够实现最高的转换效率，因此目前期望使用单晶。

但是，单晶的制造成本过高，而作为小单晶的集合体的名为多晶的制品的制造成本显著更低，因此多晶也得到了大量的利用。该多晶的情况下，小的单晶彼此的边界部(称作粒界)产生大的应力，导电性等特性也发生劣化，因此作为太阳能电池的发电效率低于使用单晶的情况。

作为硅太阳能电池基板中使用的硅结晶的制造方法，已知有浇铸法(铸入法)、单向凝固法、提拉法(日文：引上法)等。硅的反应性高，因此能够保持熔液的原材料限定为石英。如果在这种由石英制成的坩埚(石英坩埚)中使硅原料熔解和固化来制造单晶，则存在硅与石英熔接固化而导致在冷却过程中整体产生龟裂的问题。

于是开发了使熔液流入碳制的铸型并使之固化的所谓的浇铸法(铸入法)。虽然碳材料与硅熔液反应而生成碳化硅，但这仅限于铸型表面附近，因此能在固化物内部得到硅的结晶。

这种浇铸法(铸入法)是源自所谓的铸造制造法的制造方法，在初期将用大型坩埚熔解而得的原料熔液倒入小型的铸入用坩埚并使之固化，藉此制造多晶来使用。

但在这种浇铸法(铸入法)中，整个小型坩埚内的无数个单晶粒子朝向中心部生长，因此所制造的单晶在小型坩埚的中心部附近会发生导电性等特性的劣化。

于是，对温度分布进行仔细调整，使得从各个小型坩埚底部向上进行固化，实现了高效率化。

将原料熔液倒入各个小型坩埚并使之固化的方法也是浇铸法(铸入法)，但是使铸入的熔液固化时对坩埚设置温度梯度以从下方向上方缓慢固化的方法在结晶成长学上则是称作“单向凝固法”的方法。