2021 Fiscal Year Research-status Report
半導体シリコンの粒界性格を制御した結晶成長過程の直接観察
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20K05179
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
前田 健作 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40634564)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 結晶成長 / 融液成長 / 固液界面 / 結晶粒界 / 双晶界面 / シリコン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、融液から多結晶材料が凝固する際に結晶粒界の形成機構を系統的に解明することが目的である。太陽電池の材料に用いられる多結晶シリコン基板中には、結晶粒界が多く含まれており、これは融液から凝固する際に偶発的に形成される。産業スケールの多結晶シリコンインゴットは数百キログラム程度と大きく、その中には様々な方位関係の結晶粒界が形成されている。これまでの研究では、観察窓を設けたその場観察装置を用いることで結晶粒界が形成される様子を知ることができたが、実験室スケールの装置では観察視野が狭いために効率よく結晶粒界が形成される様子を観察することは難しかった。そこで本研究では、意図した結晶粒界をその場観察装置の中に再現して効率よく粒界形成過程を調査するというアプローチで取り組んでいる。
本研究は3ヶ年計画であり、「その場観察装置の改造」「成長方位の連続的な変化」「成長界面の曲率操作」に取り組む。半導体シリコンの融点は約1400℃と高温であり、炉内の温度分布を意図的に制御することは非常に困難である。2年目である今年度は、「成長方位の連続的な変化」を実現するため、炉内の結晶成長界面近傍の温度場測定を行った。
一方向凝固過程において、温度勾配を付加することで成長界面は平坦に保たれている。急冷することで成長速度が大きくなると成長界面で潜熱が発生し温度勾配が弱くなる。新たな温度計測法を用いて成長界面近傍の温度勾配が無くなり、成長界面が不安定化する様子を直接観察することができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は3ヶ年計画であり、2年目である本年度は昨年取り組んだ実験装置の改造の効果の確認と炉内温度の測定を行った。特に、「結晶成長界面近傍の温度場測定」を行い融液成長に関する新たな成果を得た。一方向凝固過程において、温度勾配を付加することで成長界面は平坦に保たれている。温度勾配が弱くなり成長界面が不安定化する様子を直接観察することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
その場観察装置の改造を進め、最終年度である次年度は「成長界面の曲率操作」に取り組む。また、得られた成果を応用して、酸化物結晶である四ホウ酸リチウムや化合物半導体であるインジウムアンチモン結晶の成長機構の解明にも取り組む。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため成果発表のための旅費が未使用である。次年度の国内学会はオンサイト開催が期待でき、積極的に参加する。
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