| 研究概要 |
太陽光発電用一方向凝固多結晶シリコンの発電効率と生産性を高めるために、シリコンの柱状晶成長機構について研究した.まず,φ20×100mmの小型試料を用い,Bridgman型炉により温度勾配20K/cm,凝固速度0.075〜9.6mm/minで9N(99.9999999%)の高純度Si結晶を一方向凝固させ,核生成及び結晶成長に要する過冷度,結晶粒径,柱状晶の結晶方位等を調査した.
結晶は約1mm/minまでの低速凝固では熱流方向へ柱状に成長し,低凝固速度ほど組織が粗大化した.しかし,成長速度の増加と共に結晶粒径は小さくなり,凝固速度が約1.8mm/min以上になると等軸晶へ遷移した.いずれの速度においても結晶粒内にはΣ3双晶(双晶面{111})が熱流方向に平行に分布していた。そこで,双晶が成長中の結晶粗大化に寄与すると考え,ファセット成長における2次元核生成理論を用いて解析したところ,双晶を有する<211>方向の成長過冷度は<111>方向成長の場合の約70%まで減少し,有利に成長できる結果が得られた.このことは,試料の底部および中心部での測温結果と結晶組織で確認され,双晶と固液界面で構成するキンクがステップ成長を助長することが明らかとなった。
また,およそ1.0mm/min以上の凝固速度では,競争成長せず,ルツボ底面から直接粗大な結晶が成長していた.この結晶はルツボ底面の形状によらず底面と平行方向に<110>〜<211>の間の方位で成長していた.同様の現象をφ80×20mmの中型インゴット,及び太陽電池用400×400×200mm大型インゴットの底面でも認めた.以上の結果より,凝固速度を制御し,双晶を含み<110>〜<211>方向へ成長する結晶で試料底部を覆うことにより,結晶を粗大化させ、その方位を保ってインゴット上部へ結晶成長させることができることを明らかにした。
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