Direct observation of crystal growth process of semiconductor silicon with controlled grain boundary character

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05179
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26060:Metals production and resources production-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Maeda Kensaku 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (40634564)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 融液成長 / 固液界面 / 双晶界面 / シリコン / ホウ酸塩結晶 / 共晶組織 / デンドライト

Outline of Final Research Achievements

The aim of this study was to understand the formation mechanism of grain boundaries during the solidification of polycrystalline materials from melt. The grain boundaries in polycrystalline silicon substrates work a significant role in the performance of solar cell, and it is important to understand the formation mechanism. In this study, a new approach to observing grain boundaries intended for other materials of silicon was used. Specifically, the in-situ system was modified to observe the growth process and the temperature field. I also worked on the observation of the formation process of non-parallel twinning dendrite growth, borate crystals and Fe-Si eutectic microstructures.

Free Research Field

結晶成長

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

太陽電池の普及に伴い、シリコン多結晶インゴットの製造に関する研究開発が盛んである。多結晶組織を制御するためには、例えばキャスト炉のホットゾーンを調整して、凝固した多結晶組織との相関を調べるような研究が行われている。これは凝固過程における固液界面の凹凸や曲率などの形状が結晶粒界の形成に影響していると考えられるが、詳しくはわかっていない。本研究で固液界面形状と結晶粒界の形成過程を詳細に知ることで、ホットゾーンの設計に役立てることができる。また、Phase-field法などで粒界形成過程のシミュレーションを行っているグループもあり、そのモデルとなるような実験を行うこともできる。