KR101054893B1 - Manufacturing device of silicon substrate using spin casting type and manufacturing method of silicon substrate using the same - Google Patents

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윤우영
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이창범
정주호
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장보윤
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한국에너지기술연구원
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Abstract

PURPOSE: An apparatus for manufacturing a silicon substrate using a spin casting process and a method for manufacturing the silicon substrate using the same are provided to easily control the thickness and the shaft of the silicon substrate without a separate shaping unit. CONSTITUTION: A chamber(110) arranges a sealed space. A storing container(122) is arranged in the chamber, and a raw silicon material is introduced in the storing container. A discharging hole is formed at the bottom side of the storing container. A melting part(120) is arranged around the storing container and includes a heater melting the raw silicon material. A casting part(140) spin-casts the melted silicon from the discharging hole. A cooling part(160) cools the spin-cased silicon. A temperature measuring part(180) measures the temperature of the melting part.

Description

스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법{MANUFACTURING DEVICE OF SILICON SUBSTRATE USING SPIN CASTING TYPE AND MANUFACTURING METHOD OF SILICON SUBSTRATE USING THE SAME}Device for manufacturing silicon substrate using spin casting method and method for manufacturing silicon substrate using same TECHNICAL FIELD

본 발명은 태양 전지 등에 이용되는 실리콘 기판 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불순물 제어가 용이하며 별도의 성형도구 없이 실리콘 기판의 두께 및 형상을 용이하게 조절할 수 있는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a silicon substrate manufacturing apparatus used for solar cells, and more specifically, to control the impurity and silicon substrate manufacturing using a spin casting method that can easily control the thickness and shape of the silicon substrate without a separate molding tool An apparatus and a method for manufacturing a silicon substrate using the same.

기존의 태양전지용 실리콘 기판은 주로 초크랄스키법과 블록캐스팅법을 이용하여 액상 실리콘으로부터 잉곳 및 블락 형태의 중간 과정을 거친 뒤, 이를 쏘잉 과정으로 절단하는 것에 의하여 완성된다.Conventional solar cell silicon substrates are completed by ingot and block-type intermediate processes from liquid silicon, mainly by using Czochralski method and block casting method, and then cutting them by sawing process.

초크랄스키법을 이용할 경우 고 순도의 재료가 요구되는 반도체용 기판 제조에는 적합하지만 태양전지용으로 사용하기에는 제조단가가 높아 실용성이 낮은 문제점이 있고, 블록캐스팅법을 이용할 경우 도가니로부터의 오염으로 인한 순도의 저하 및 도가니의 수명이 짧다는 등의 문제점을 가지고 있다.Although the Czochralski method is suitable for the manufacture of semiconductor substrates requiring high purity materials, there is a problem of low practicality due to high manufacturing cost for use in solar cells, and purity due to contamination from the crucible when the block casting method is used. There is a problem such as lowering of the crucible and shortening the life of the crucible.

또한, 실리콘 기판 제조 공법들은 잉곳의 절단 공정에서 절단 와이어로 인한 잉곳의 40% 이상의 절단손실(Kerf-loss)이 필연적으로 발생하고 있다. 이로 인해, 실리콘 기판의 제조 단가가 급격히 상승하기 때문에, 절단 손실을 근본적으로 제거하여 제조단가를 혁신적으로 낮추는 기술 개발이 태양 전지의 가격 하락 및 보급화에 핵심이라 할 수 있다.In addition, silicon substrate manufacturing methods inevitably generate more than 40% of kerf-loss due to the cutting wire in the ingot cutting process. For this reason, since the manufacturing cost of silicon substrates rises sharply, the development of a technology that radically eliminates cutting loss and innovatively lowers manufacturing costs can be said to be the key to the reduction and spread of solar cells.

이러한 실리콘 기판 직접 제조기술은 크게 수직성장 기술과 수평성장 기술로 구분될 수 있다. 대표적인 수직성장 기술로는 EFG(Edge-defined Film-fed Growth), SR(String Ribbon)가 있고, 수평성장 기술로는 RGS(Ribbon Growth on Substrate)가 있다.
Such silicon substrate direct manufacturing technology can be classified into vertical growth technology and horizontal growth technology. Representative vertical growth technologies include edge-defined film-fed growth (EFG) and string ribbon (SR), and horizontal growth technologies include ribbon growth on substrate (RGS).

수직성장 방식인 EFG법은 태양전지용 다결정 실리콘 기판 생산량의 2% 정도에 해당하는 양을 생산하고 있다. EFG법은 용용된 실리콘이 흑연 다이(graphite die) 내에서 모세관 현상을 이루며 올라가고 이를 250㎛ 두께로 7m 가량까지 높이 뽑아내면서 응고시키는 방법으로 생산성 확대를 위해 팔각기둥으로 성장시킴으로써 생산성을 극대화시킬 수 있는 방법이라 할 수 있다.The vertical growth method, the EFG method, produces about 2% of the production of polycrystalline silicon substrates for solar cells. EFG method maximizes productivity by melting molten silicon to form capillary phenomena in graphite die and growing it to octagonal column to increase productivity by extracting and solidifying it up to 7m in thickness of 250㎛. It can be called a method.

그러나, EFG법을 이용하여 생산된 실리콘 기판은 길이 성장으로 인해 그레인(grain)의 폭은 작지만 길이방향으로는 수cm에 이르며 산소의 차단으로 산소 불순물은 적은 반면, 흑연 다이(graphite die)를 통과하면서 발생되는 탄소성분의 과포화가 가장 큰 문제점으로 제시되고 있다.
However, silicon substrates produced using the EFG method have a small grain width due to length growth but reach a few centimeters in the length direction, and a small amount of oxygen impurities due to the blocking of oxygen, while passing through the graphite die. The supersaturation of the carbon component generated while being presented as the biggest problem.

한편, RGS법은 연속적으로 진행되는 지지 기판이 용융 실리콘이 담긴 욕조(bath)를 통과하고, 욕조(bath) 한쪽 끝에는 실리콘 기판의 두께를 조절할 수 있는 캐스팅 다이(casting die)가 있어 지지 기판이 진행됨에 따라 하부쪽으로 열방출에 의해 냉각이 일어나고 이에 응고가 일어나면서 리본형 실리콘을 얻는 공법이다.On the other hand, in the RGS method, a continuous supporting substrate passes through a bath containing molten silicon, and at one end of the bath, a casting die for adjusting the thickness of the silicon substrate is provided, thereby supporting the supporting substrate. According to this method, cooling occurs by heat dissipation toward the lower side and solidification occurs, thereby obtaining ribbon-type silicon.

이러한 RGS법은 가장 빠른 생산 속도를 지니고 있으므로 생산성 측면에서 우수한 것으로 알려져 있으나, 지지 기판과 캐스팅 다이에 의한 불순물 첨가가 일어나는 문제가 있다.
The RGS method is known to be excellent in terms of productivity since it has the fastest production speed, but there is a problem in that impurities are added by the supporting substrate and the casting die.

본 발명의 목적은 잉곳성장 및 절단공정에서 발생하는 원료 손실을 근본적으로 제거할 수 있는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.
Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method and a silicon substrate manufacturing method using the same, which can fundamentally eliminate raw material loss generated in ingot growth and cutting processes.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 리본 제조 장치는 외부와의 밀폐 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버의 내부에 배치되며, 실리콘 원료가 장입되고, 저면에 토출구가 형성되어 있는 저장 용기 및 상기 저장 용기의 주변에 장착되어 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 히터를 갖는 용융부; 상기 용융부의 하부에 배치되며, 상기 토출구로부터 적하되는 용융 실리콘을 스핀 캐스팅하는 주조부; 및 상기 스핀 캐스팅되는 용융 실리콘을 냉각하는 냉각부;를 포함하며, 상기 주조부는 회전판과 상기 회전판의 회전 운동을 제어하는 구동 모터를 포함하되, 상기 주조부는 상기 회전판 위에 공급되는 용융 실리콘을 상기 회전판의 회전에 의한 원심력에 의하여 외곽으로 이동시키면서 고화되도록 하여 실리콘 기판을 형성하는 것을 특징으로 한다.
Silicon ribbon manufacturing apparatus using a spin casting method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises a chamber for providing a sealed space with the outside; A melting part disposed in the chamber, the melting part including a storage container in which a silicon raw material is charged and a discharge port formed in a bottom surface thereof, and a heater mounted around the storage container to melt the charged silicon raw material; A casting part disposed under the melting part and spin casting molten silicon dropped from the discharge hole; And a cooling unit cooling the molten silicon to be spin cast, wherein the casting part includes a rotating plate and a driving motor for controlling a rotational movement of the rotating plate, wherein the casting part includes molten silicon supplied on the rotating plate of the rotating plate. It is characterized in that the silicon substrate is formed by being solidified while moving to the outside by the centrifugal force by rotation.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 리본 제조 방법은 (a) 용융부에 실리콘 원료를 장입하는 단계; (b) 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계; 및 (c) 상기 용융부로부터 적하되는 용융 실리콘을 회전하는 주조부에 공급하여 상기 주조부의 회전에 의한 원심력에 의하여 외곽으로 이동시키면서 고화되도록 하여 실리콘 기판을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Silicon ribbon manufacturing method using a spin casting method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: (a) charging a silicon raw material in the melting portion; (b) melting the charged silicon raw material; And (c) supplying molten silicon dropped from the melting part to the rotating casting part to solidify while moving to the outside by centrifugal force caused by the rotation of the casting part to form a silicon substrate. .

본 발명에 따른 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 용융부와 주조부를 분리함으로써, 불순물을 제어하는 것이 용이하다.In the silicon substrate manufacturing apparatus and the silicon substrate manufacturing method using the same according to the present invention, it is easy to control impurities by separating the molten portion and the casting portion.

또한, 회전판의 회전 속도 및 용융 실리콘의 공급량을 제어함으로써, 별도의 성형도구 없이 실리콘 기판의 두께 및 형상을 용이하게 조절할 수 있다.In addition, by controlling the rotational speed of the rotating plate and the supply amount of molten silicon, it is possible to easily adjust the thickness and shape of the silicon substrate without a separate molding tool.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 회전판이 회전하는 속도 및 원심력에 의하여 높은 표면장력을 지닌 용융 실리콘을 별도의 성형도구 없이 리본 형태로의 형상제어를 용이하게 할 수 있다. 이 결과, 용융 실리콘이 회전판의 바깥쪽으로 퍼져나가며 잠열이 효과적으로 제거되어 빠른 속도로 실리콘 기판이 형성되도록 함으로써 고 순도의 실리콘 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
In addition, the silicon substrate manufacturing apparatus and the silicon substrate manufacturing method using the same according to the present invention to facilitate the shape control of the molten silicon having a high surface tension in the form of a ribbon without a separate molding tool by the speed and the centrifugal force of the rotating plate rotation. Can be. As a result, the molten silicon is spread out to the outside of the rotating plate and the latent heat is effectively removed so that the silicon substrate can be formed at a high speed, thereby efficiently manufacturing the high purity silicon substrate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치로 제조되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 사각 몰드 회전판을 나타낸 각각의 사시도이다.
도 8은 회전 속도 및 거리에 따른 상대 원심력의 측정값을 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10은 상대 원심력에 따른 실리콘 리본 두께의 계산값 및 실험값을 나타낸 각각의 그래프이다.
도 11은 가이드가 없는 사각 몰드 회전판 및 일자 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이다.
도 12는 일자 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판 내에 스핀 캐스팅되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 돔 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 돔 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판 내에 스캔 캐스팅되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.
도 15 내지 도 17은 주조부의 온도 변화에 따라 제조되는 실리콘 기판의 형상을 나타낸 사진이다.
도 18은 사각 몰드 회전판에서의 액상의 용융 실리콘의 탈출 조건을 알아보기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method according to an embodiment of the present invention.
2 is a process flowchart showing a method of manufacturing a silicon substrate using a spin casting method according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view showing a square mold rotating plate according to another embodiment of the present invention.
4 and 5 are photographs showing a silicon substrate manufactured by a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method according to another embodiment of the present invention.
6 and 7 are each a perspective view showing a square mold rotating plate according to another embodiment of the present invention.
8 is a graph showing measured values of relative centrifugal force according to rotation speed and distance.
9 and 10 are graphs showing the calculated and experimental values of the silicon ribbon thickness according to the relative centrifugal force.
11 is a cross-sectional view of a square mold rotating plate having a guideless square mold rotating plate and a straight guide.
12 is a photograph showing a silicon substrate spin cast in a square mold rotating plate having a guide having a straight shape.
13 is a cross-sectional view showing a square mold rotating plate having a dome-shaped guide according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a photograph showing a silicon substrate scanned by casting in a square mold rotating plate including a dome-shaped guide according to an exemplary embodiment of the present invention.
15 to 17 are photographs showing the shape of the silicon substrate manufactured according to the temperature change of the casting part.
18 is a graph showing experimental results for evaluating escape conditions of liquid molten silicon in a square mold rotating plate.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치 및 이를 이용한 실리콘 기판 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method and a silicon substrate manufacturing method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치(100)는 챔버(110), 용융부(120), 주조부(140) 및 냉각부(160)를 포함한다. 또한, 상기 실리콘 기판 제조 장치(100)는 가스 주입부(170) 및 온도 측정부(180)를 더 포함할 수 있다.
Referring to FIG. 1, a silicon substrate manufacturing apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a chamber 110, a melting part 120, a casting part 140, and a cooling part 160. In addition, the silicon substrate manufacturing apparatus 100 may further include a gas injection unit 170 and a temperature measuring unit 180.

챔버(110)는 외부와의 밀폐 공간을 제공한다. 이때, 챔버(110)의 내부는 실리콘(Si)의 높은 잠열과 반응성을 고려하여 진공 상태의 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지한다. 이를 위하여, 챔버(110)의 일측에는 적정량의 아르곤(Ar) 가스가 투입되는 투입부(112) 및 사용된 아르곤(Ar) 가스가 배출되는 배기구(114)가 마련될 수 있다. 또한, 챔버(110)의 일측에 반대되는 타측에는 챔버(110) 내부를 진공 상태로 유지하기 위해 진공 펌프(미도시)로부터의 진공 압을 챔버(110) 내부에 공급하는 진공 배관(116)이 더 배치될 수 있다.
The chamber 110 provides a sealed space with the outside. At this time, the inside of the chamber 110 is maintained in an argon (Ar) gas atmosphere in a vacuum state in consideration of high latent heat and reactivity of silicon (Si). To this end, one side of the chamber 110 may be provided with an inlet 112 through which an appropriate amount of argon (Ar) gas is input and an exhaust port (114) through which used argon (Ar) gas is discharged. In addition, a vacuum pipe 116 for supplying a vacuum pressure from a vacuum pump (not shown) to the inside of the chamber 110 is provided at the other side opposite to one side of the chamber 110 to maintain the inside of the chamber 110 in a vacuum state. May be further arranged.

용융부(120)는 유도 용융 방식에 의하여 외부로부터 공급되는 실리콘 원료를 용융시킨다. 이러한 용융부(120)는 저장 용기(122) 및 히터(124)를 포함할 수 있다. The melter 120 melts the silicon raw material supplied from the outside by an induction melting method. The melter 120 may include a storage container 122 and a heater 124.

저장 용기(122)는 실리콘 원료가 장입되며, 저면에 토출구(121)를 구비한다. 이때, 실리콘의 경우, 금속과 달리 대략 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 가열이 어렵다. 따라서, 실리콘 원료는 저장 용기(122)의 열에 의한 간접 용융 방식으로 용융하는 것이 적합하다. 간접 용융 방식에 의한 실리콘 용융의 경우 흑연 재질의 저장 용기(122)가 이용될 수 있는 데, 흑연의 경우 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 우수하여 전자기 유도에 의한 저장 용기(122) 내의 가열이 쉽게 이루어질 수 있다.The storage container 122 is filled with a silicon raw material, and has a discharge port 121 at the bottom thereof. At this time, in the case of silicon, unlike the metal, at a temperature of about 700 ° C. or less, the electrical conductivity is low, and direct heating by electromagnetic induction is difficult. Therefore, it is suitable for the silicon raw material to be melted by indirect melting by heat of the storage container 122. In the case of silicon melting by an indirect melting method, a storage container 122 made of graphite may be used. In the case of graphite, the storage container 122 is heated by electromagnetic induction because the electrical conductivity and thermal conductivity are very excellent even though it is a nonmetal material. This can be done easily.

히터(124)는 저장 용기(122)의 주변을 감싸는 형태로 장착되어 저장 용기(122)내에 장입되는 실리콘 원료를 유도 용융 방식으로 용융시킨다. 이때, 히터(124)에 의하여 용융되는 실리콘 용탕의 표면 온도는 1350 ~ 1550℃일 수 있다. 만약, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1350℃ 미만일 경우에는 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있다. 반대로, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1550℃를 초과할 경우에는 후술할 스캔 캐스팅 과정에서 회전판에 용융 실리콘이 고화되지 못하는 문제가 있다.
The heater 124 is mounted to surround the storage container 122 to melt the silicon raw material charged in the storage container 122 in an induction melting method. At this time, the surface temperature of the molten silicon melted by the heater 124 may be 1350 ~ 1550 ℃. If the surface temperature of the silicon melt is less than 1350 ° C., the molten silicon may harden before the ejection. On the contrary, when the surface temperature of the silicon melt exceeds 1550 ° C., there is a problem in that molten silicon is not solidified in the rotating plate during the scan casting process described later.

주조부(140)는 용융부(120)와 일정 간격으로 이격된 하부에 배치되며, 토출구(121)로부터 적하되는 용융 실리콘(130)을 스핀 캐스팅한다. 이때, 토출구(121)는 주조부(140)의 중심과 수직 선상에 배치되도록 설치하는 것이 바람직한데, 이는 토출구(121)로부터 적하되는 용융 실리콘(130)이 주조부(140)의 중심에 적하되도록 하여 스핀 캐스팅 과정에서 주조부(140)의 표면에 용융 실리콘(130)이 균일하게 캐스팅되도록 유도하기 위함이다.The casting part 140 is disposed below the melting part 120 at regular intervals, and spin casts the molten silicon 130 dropped from the discharge port 121. At this time, the discharge port 121 is preferably installed so as to be disposed on a line perpendicular to the center of the casting portion 140, which is such that the molten silicon 130 dropped from the discharge hole 121 is dropped in the center of the casting portion 140. This is to induce molten silicon 130 to be uniformly cast on the surface of the casting part 140 during the spin casting process.

주조부(140)는 회전판(142)과 구동 모터(144)를 포함할 수 있다.The casting part 140 may include a rotating plate 142 and a driving motor 144.

회전판(142)은 그라파이트(graphite) 재질로 형성하는 것이 바람직한데, 이는 그라파이트의 경우 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 우수하여 전자기 유도에 의한 가열이 용이한 이점이 있다.Rotating plate 142 is preferably formed of a graphite (graphite) material, which is a non-metallic material is excellent in electrical conductivity and thermal conductivity even in the case of graphite has the advantage of easy heating by electromagnetic induction.

구동 모터(144)는 회전판(142)과 연동되도록 장착되어 회전판(142)의 회전 운동을 제어한다. 이때, 구동 모터(144)는 회전판(142)의 회전 속도를 제어함과 더불어 각도를 조절하는 기능을 더 수행할 수 있다.The drive motor 144 is mounted to interlock with the rotating plate 142 to control the rotational movement of the rotating plate 142. In this case, the driving motor 144 may further perform a function of controlling the rotation speed of the rotating plate 142 and adjusting the angle.

스핀 캐스팅 과정에서, 회전판(142)의 회전 속도는 1500 ~ 6000rpm으로 실시하는 것이 바람직하다. 만약, 회전판(142)의 회전 속도가 1500rpm 미만일 경우에는 회전판(142)의 중심으로부터 바깥쪽으로 용융 실리콘이 고르게 퍼져 나가지 못하는 문제가 있다. 반대로, 회전판(142)의 회전 속도가 6000rpm를 초과할 경우에는 원심력이 강하게 작용하여 용융 실리콘이 회전판(142)을 이탈할 우려가 있다.
In the spin casting process, the rotation speed of the rotating plate 142 is preferably performed at 1500 ~ 6000rpm. If the rotation speed of the rotating plate 142 is less than 1500 rpm, there is a problem that molten silicon may not evenly spread outward from the center of the rotating plate 142. On the contrary, when the rotational speed of the rotating plate 142 exceeds 6000 rpm, the centrifugal force acts strongly and the molten silicon may leave the rotating plate 142.

도면으로 제시하지는 않았지만, 주조부(140)는 히팅 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 히팅 유닛은 회전판(142)의 표면 온도를 적정 온도로 유지되도록 하는 기능을 한다.Although not shown in the drawings, the casting part 140 may further include a heating unit (not shown). The heating unit functions to maintain the surface temperature of the rotating plate 142 at an appropriate temperature.

이때, 회전판(142)의 표면 온도는 600 ~ 1100℃로 유지하는 것이 바람직하다. 만약, 회전판(142)의 표면 온도가 600℃ 미만일 경우에는 원심력에 의하여 회전판(142)의 중심으로부터 바깥쪽으로 용융 실리콘이 퍼져 나가기 전에 굳어버릴 우려가 있다. 반대로, 회전판(142)의 표면 온도가 1100℃를 초과할 경우에는 용융 실리콘이 회전판(142)에 고화되지 못할 우려가 있다.
At this time, the surface temperature of the rotating plate 142 is preferably maintained at 600 ~ 1100 ℃. If the surface temperature of the rotating plate 142 is less than 600 ° C., there is a concern that the molten silicon may harden before the molten silicon spreads outward from the center of the rotating plate 142 by centrifugal force. On the contrary, when the surface temperature of the rotating plate 142 exceeds 1100 ° C., the molten silicon may not be solidified in the rotating plate 142.

냉각부(160)는 스핀 캐스팅되는 용융 실리콘을 냉각한다. 이러한 냉각부(160)는 회전판(142)의 회전에 의한 원심력에 의하여 적정 두께로 융융 실리콘을 분산되도록 하면서 이를 고화하기 위한 목적으로 장착된다.The cooling unit 160 cools the molten silicon that is spin cast. The cooling unit 160 is mounted for the purpose of solidifying it while dissolving the molten silicon in an appropriate thickness by centrifugal force by the rotation of the rotating plate 142.

이때, 냉각부(160)는 냉각수 공급부(162)로부터 주조부(140)의 회전판(142)에 직접 냉각수를 분사하여 회전판(142)의 표면 온도를 낮출 수 있다. 이와 다르게, 냉각부(160)는 회전판(142)의 내부에 설계되는 냉각관(미도시)에 냉각수 공급부(162)와 연결되는 냉각수 공급 라인(164)을 매개로 냉각수가 순환하는 방식으로 회전판(142)의 표면 온도를 낮출 수 있다.
In this case, the cooling unit 160 may lower the surface temperature of the rotating plate 142 by spraying the cooling water directly from the cooling water supply unit 162 to the rotating plate 142 of the casting unit 140. Alternatively, the cooling unit 160 may rotate in a manner in which the cooling water circulates through the cooling water supply line 164 connected to the cooling water supply unit 162 to a cooling tube (not shown) designed inside the rotating plate 142. 142) can lower the surface temperature.

한편, 가스 공급부(170)는 저장 용기(122)에 아르곤(Ar) 가스와 같은 불활성 가스를 공급한다. 이때, 불활성 가스는 반응 용기(122) 내부를 가압하여 용융 실리콘(130)의 토출을 유도하는 역할을 한다.Meanwhile, the gas supply unit 170 supplies an inert gas such as argon (Ar) gas to the storage container 122. In this case, the inert gas serves to pressurize the inside of the reaction vessel 122 to induce the discharge of the molten silicon 130.

온도 측정부(180)는 용융부(120)의 온도를 측정한다. 온도 측정부(180)로는 고온계(pyrometer)가 이용될 수 있다. 이때, 온도 측정부(180)는 제어부(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제어부는 온도 측정부(180)에 의하여 측정된 실리콘 용탕의 표면 온도를 설정값과 비교하여 실리콘 용탕의 표면 온도를 제어하게 된다.
The temperature measuring unit 180 measures the temperature of the melting unit 120. A pyrometer may be used as the temperature measuring unit 180. In this case, the temperature measuring unit 180 may be electrically connected to a controller (not shown). The controller controls the surface temperature of the silicon melt by comparing the surface temperature of the silicon melt measured by the temperature measuring unit 180 with a set value.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치는 냉각이 이뤄지며 수평으로 회전하는 회전판위에 용융 실리콘을 공급하고, 회전하는 회전판의 원심력에 의하여 용융 실리콘이 회전판의 바깥쪽으로 이동하면서 고화되어 실리콘 기판이 형성되도록 함으로써, 형상 및 결정결함 제어가 용이하게 수행되면서 빠른 속도로 고 순도의 실리콘 기판을 제조할 수 있다.As described above, the silicon substrate manufacturing apparatus using the spin casting method according to an embodiment of the present invention is supplied to the molten silicon on the rotating rotating plate horizontally cooled, the molten silicon is rotated by the centrifugal force of the rotating rotating plate By moving to the outside of the solidified to form a silicon substrate, it is possible to manufacture a high-purity silicon substrate at a high speed while easily performing shape and crystal defect control.

이와 같은 구성을 갖는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치는 용융부와 주조부가 분리됨으로써, 불순물을 제어하는 것이 용이하다. 또한, 회전판의 회전 속도 및 용융 실리콘의 공급량을 제어함으로써, 별도의 성형도구 없이 실리콘 기판의 두께 및 형상을 용이하게 조절할 수 있다.In the silicon substrate manufacturing apparatus using the spin casting method having such a structure, it is easy to control impurities by separating the molten portion and the casting portion. In addition, by controlling the rotational speed of the rotating plate and the supply amount of molten silicon, it is possible to easily adjust the thickness and shape of the silicon substrate without a separate molding tool.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 회전판이 회전하는 속도 및 원심력에 의하여 높은 표면장력을 지닌 용융 실리콘을 별도의 성형도구 없이 리본 형태로의 형상제어를 용이하게 할 수 있다. 이 결과, 용융 실리콘이 회전판의 바깥쪽으로 퍼져나가며 잠열이 효과적으로 제거되어 빠른 속도로 실리콘 기판이 형성되도록 함으로써 고 순도의 실리콘 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
In addition, the silicon substrate manufacturing apparatus according to the present invention can facilitate the shape control of the molten silicon having a high surface tension in the form of a ribbon without a separate molding tool by the speed and the centrifugal force of the rotating plate rotation. As a result, the molten silicon is spread out to the outside of the rotating plate and the latent heat is effectively removed so that the silicon substrate can be formed at a high speed, thereby efficiently manufacturing the high purity silicon substrate.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도로, 도 1과 연계하여 설명하도록 한다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silicon substrate using a spin casting method according to an exemplary embodiment of the present invention, which will be described with reference to FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 장입 단계(S110), 용융 단계(S120) 및 형성 단계(S130)를 포함한다.
1 and 2, the silicon substrate manufacturing method using the spin casting method includes a charging step S110, a melting step S120, and a forming step S130.

장입 단계(S110)에서는 외부로부터 용융부(120)에 실리콘 원료를 장입한다. 용융부(120)는 저장 용기(122) 및 히터(124)를 포함할 수 있다. 이때, 저장 용기(122)는 저면에 토출구(121)를 구비할 수 있다.
In the charging step (S110), the silicon raw material is charged into the melting part 120 from the outside. The melter 120 may include a storage container 122 and a heater 124. At this time, the storage container 122 may be provided with a discharge port 121 on the bottom.

용융 단계(S120)에서는 장입된 실리콘 원료를 용융시킨다. 이때, 히터(124)에 의하여 용융되는 실리콘 용탕의 표면 온도는 1350 ~ 1550℃일 수 있다. 만약, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1350℃ 미만일 경우에는 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있다. 반대로, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1550℃를 초과할 경우에는 후술할 스캔 캐스팅 과정에서 회전판(142)에 용융 실리콘(130)이 고화되지 못하는 문제가 있다.In the melting step S120, the charged silicon raw material is melted. At this time, the surface temperature of the molten silicon melted by the heater 124 may be 1350 ~ 1550 ℃. If the surface temperature of the silicon melt is less than 1350 ° C., the molten silicon may harden before the ejection. On the contrary, when the surface temperature of the silicon melt exceeds 1550 ° C., the molten silicon 130 may not be solidified on the rotating plate 142 during the scan casting process described later.

이때, 용융부(120) 및 주조부(140)는 챔버(110)에 의하여 외부와 밀폐된다. 챔버(110)의 내부는 실리콘의 높은 잠열과 반응성을 고려하여 진공 상태의 아르곤(Ar) 가스 분위기로 유지한다.
In this case, the melting part 120 and the casting part 140 are sealed to the outside by the chamber 110. The inside of the chamber 110 is maintained in an argon (Ar) gas atmosphere in a vacuum state in consideration of high latent heat and reactivity of silicon.

형성 단계(S130)에서는 용융부(120)로부터 적하되는 용융 실리콘(130)을 회전하는 주조부(140)에 공급하여 주조부(140)의 회전에 의한 원심력에 의하여 외곽으로 이동시키면서 고화되도록 하여 실리콘 기판(미도시)을 형성한다.In the forming step (S130) is supplied to the molten silicon 130 dropping from the molten portion 120 to the rotating casting unit 140 to be solidified while moving to the outside by the centrifugal force by the rotation of the casting unit 140 A substrate (not shown) is formed.

이때, 주조부(140)는 600 ~ 1100℃로 유지하는 것이 바람직하다. 만약, 회전판(142)의 표면 온도가 600℃ 미만일 경우에는 원심력에 의하여 회전판(142)의 중심으로부터 바깥쪽으로 용융 실리콘이 퍼져 나가기 전에 굳어버릴 우려가 있다. 반대로, 회전판(142)의 표면 온도가 1100℃를 초과할 경우에는 용융 실리콘이 회전판(142)에 고화되지 못할 우려가 있다.At this time, the casting unit 140 is preferably maintained at 600 ~ 1100 ℃. If the surface temperature of the rotating plate 142 is less than 600 ° C., there is a concern that the molten silicon may harden before the molten silicon spreads outward from the center of the rotating plate 142 by centrifugal force. On the contrary, when the surface temperature of the rotating plate 142 exceeds 1100 ° C., the molten silicon may not be solidified in the rotating plate 142.

상기 용융부(120)로부터 융용 실리콘(130)을 적하하는 과정시, 용융 실리콘(130)의 토출을 유도하기 위해 용융 실리콘(130)에 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 이러한 아르곤 가스는 반응 용기(122) 내부를 가압하여 용융 실리콘(130)의 토출을 유도한다.In the process of dropping the molten silicon 130 from the molten part 120, it is preferable to supply argon (Ar) gas to the molten silicon 130 to induce discharge of the molten silicon 130. The argon gas pressurizes the inside of the reaction vessel 122 to induce discharge of the molten silicon 130.

이때, 주조부(140)의 회전 속도는 1500 ~ 6000rpm로 실시하는 것이 바람직하다. 만약, 회전판(142)의 회전 속도가 1500rpm 미만으로 실시될 경우에는 회전판(142)의 중심으로부터 바깥쪽으로 용융 실리콘(130)이 고르게 퍼져나가지 못하는 문제가 있다. 반대로, 회전판(142)의 회전 속도가 6000rpm를 초과하여 실시될 경우에는 원심력이 강하게 작용하여 용융 실리콘(130)이 회전판(142)을 이탈할 우려가 있다.
At this time, the rotational speed of the casting unit 140 is preferably carried out at 1500 ~ 6000rpm. If the rotation speed of the rotating plate 142 is less than 1500 rpm, the molten silicon 130 may not evenly spread outward from the center of the rotating plate 142. On the contrary, when the rotational speed of the rotating plate 142 exceeds 6000 rpm, the centrifugal force acts strongly and the molten silicon 130 may leave the rotating plate 142.

이와 같은 공정으로 제조되는 실리콘 기판은 실리콘 용탕으로부터 직접 실리콘 기판이 제조됨으로써, 잉곳성장 및 절단공정에서 발생하는 원료손실을 근본적으로 제거할 수 있는 이점이 있다.The silicon substrate manufactured by such a process has an advantage in that the silicon substrate is manufactured directly from the molten silicon, thereby fundamentally eliminating raw material loss generated in the ingot growth and cutting processes.

이와 같이 스핀 캐스팅법을 이용할 경우, 유도 가열을 통하여 용융되는 용융 실리콘을 회전하는 회전판에 공급하고, 회전판의 회전에 의한 원심력에 의하여 용융 실리콘이 회전판의 바깥쪽으로 이동하면서 고화되는 방식으로 실리콘 기판이 직접 제조되므로, 생산 수율을 극대화할 수 있다. 또한, 아르곤 가스 분위기로 유지되는 챔버내에서 스핀 캐스팅 공정이 이루어지므로 불순물에 의하여 실리콘 기판이 오염될 염려가 없어 고 순도를 확보할 수 있다.
In the case of using the spin casting method, the molten silicon melted through induction heating is supplied to the rotating plate, and the silicon substrate is directly solidified while the molten silicon is solidified while moving to the outside of the plate by the centrifugal force of the rotating plate. As a result, production yields can be maximized. In addition, since the spin casting process is performed in a chamber maintained in an argon gas atmosphere, the silicon substrate may be contaminated by impurities, thereby ensuring high purity.

한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이다.On the other hand, Figure 3 is a cross-sectional view showing a square mold rotating plate according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 사각 몰드 회전판(242)은 회전판 몸체(242a) 및 상기 회전판 몸체(242a)의 상부면 가장자리에 돔 형태로 형성되는 가이드(242b)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the square mold rotating plate 242 may include a rotating plate body 242a and a guide 242b formed in a dome shape at an edge of an upper surface of the rotating plate body 242a.

이와 같이, 가이드(242b)의 추가 설계를 통하여 사각 몰드 회전판(242)에 용융 실리콘이 장입되는 영역(CA)을 제한함으로써, 사각 몰드 회전판(242)의 회전에 의한 원심력에 의하여 용융 실리콘이 사각 몰드 회전판(242)의 외부로 이탈하는 것을 방지할 수 있게 된다. 이때, 가이드(242b)와 회전판 몸체(242a)는 일체형 또는 분리형으로 제작될 수 있다. 이러한 가이드(242b)는 회전판 몸체(242a)와 동종 재질로 형성될 수 있다.
As such, by limiting the area CA into which the molten silicon is charged into the rectangular mold rotating plate 242 through the additional design of the guide 242b, the molten silicon is squared by the centrifugal force caused by the rotation of the rectangular mold rotating plate 242. It is possible to prevent the departure from the outside of the rotating plate 242. At this time, the guide 242b and the rotating plate body 242a may be manufactured in one piece or separate type. The guide 242b may be formed of the same material as the rotating plate body 242a.

한편, 도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치로 제조되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.4 and 5 are photographs showing silicon substrates manufactured by a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 4 및 도 5를 참조하면, 사각 몰드 회전판 내에 용융 실리콘이 모두 채워져 실리콘 기판이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이때, 사각 몰드 회전판 내에서의 실리콘 기판의 제조는 회전판의 표면 온도의 조절 및 회전 속도의 조절을 통하여 용융 실리콘의 유동 및 응고를 제어할 수 있었다. 이를 통하여, 실리콘 기판의 두께를 조절하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.
4 and 5, it can be seen that the silicon substrate is formed by filling all the molten silicon in the rectangular mold rotating plate. At this time, the manufacturing of the silicon substrate in the square mold rotating plate was able to control the flow and solidification of the molten silicon through the adjustment of the surface temperature and the rotational speed of the rotating plate. Through this, it was confirmed that it is possible to control the thickness of the silicon substrate.

도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 사각 몰드 회전판을 나타낸 각각의 사시도이다.6 and 7 are each a perspective view showing a square mold rotating plate according to another embodiment of the present invention.

도 6 및 도 7을 참조하면, 사각 몰드 회전판(342)은 회전판 몸체(342a), 상기 회전판 몸체(342a)의 상부면에 형성되는 홈(H) 및 상기 홈(H)의 바닥면에 형성되는 요철 패턴(342b)을 포함할 수 있다. 또한, 도면으로 도시하지는 않았지만, 상기 사각 몰드 회전판(342)은 상부면 가장자리에 돔 형태로 형성되는 가이드(미도시)를 더 구비할 수 있다.6 and 7, the square mold rotating plate 342 is formed on the rotating plate body 342a, the groove H formed on the upper surface of the rotating plate body 342a, and the bottom surface of the groove H. The uneven pattern 342b may be included. In addition, although not shown in the drawings, the rectangular mold rotating plate 342 may further include a guide (not shown) formed in a dome shape at the edge of the upper surface.

이때, 상기 요철 패턴(342b)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 동심의 원이 물결치는 나이테 형태로 형성될 수 있다. 이와 다르게, 상기 요철 패턴(342b)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 체크 무늬 형태로 형성될 수 있다.In this case, the concave-convex pattern 342b may be formed in a ring shape in which concentric circles are waved, as shown in FIG. 6. Alternatively, the uneven pattern 342b may be formed in a checkered shape, as shown in FIG. 7.

이와 같이, 사각 몰드 회전판(342) 내에 나이테 또는 체크 무늬의 요철 패턴(342b)을 형성할 경우, 용융 실리콘이 요철 패턴(342b)을 통과하면서 운동량을 잃게 되므로, 사각 몰드 회전판(342)위에서 용융 실리콘의 탈출을 효과적으로 막아 온전한 사각 실리콘 기판을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.
As such, in the case of forming a ring or checkered concave-convex pattern 342b in the square mold rotating plate 342, since the molten silicon loses momentum while passing through the concave-convex pattern 342b, the molten silicon on the square mold rotating plate 342 It can be seen that an intact quadrangular silicon substrate can be manufactured by effectively preventing the escape of.

실험 조건Experimental conditions

스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 실험 조건은 아래 표 1과 같다.
Experimental conditions for producing a silicon substrate using a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method are shown in Table 1 below.

[표 1]TABLE 1

Figure 112011017124315-pat00001
Figure 112011017124315-pat00001

도 8은 회전 속도 및 거리에 따른 상대 원심력의 측정값을 나타낸 그래프이고, 도 9 및 도 10은 상대 원심력에 따른 실리콘 리본 두께의 계산값 및 실험값을 나타낸 각각의 그래프이다. 이때, 상대 원심력은 반지름 및 회전 속도의 제곱에 비례하는 값이라 정의할 수 있다.8 is a graph showing measured values of relative centrifugal force according to rotation speed and distance, and FIGS. 9 and 10 are respective graphs showing calculated values and experimental values of silicon ribbon thickness according to relative centrifugal force. In this case, the relative centrifugal force may be defined as a value proportional to the square of the radius and the rotation speed.

도 8을 참조하면, 회전판의 중심으로부터 1 ~ 6cm 떨어진 지점(I ~ VI)에서의 상대 원심력(relative centrifugal force: RCF)을 각각 측정한 결과, 회전 속도(RPM) 및 거리가 증가함에 따라 비례적으로 상대 원심력(RCF)의 측정값이 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 회전 속도가 빨라질수록 실리콘 기판의 두께는 감소하고 면적은 증가한다는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 8, as a result of measuring relative centrifugal force (RCF) at points I to VI 1 to 6 cm away from the center of the rotating plate, the rotational speed (RPM) and the distance are proportionally increased. It was confirmed that the measured value of the relative centrifugal force (RCF) increases. At this time, as the rotation speed increases, the thickness of the silicon substrate decreases and the area increases.

한편, 도 9 및 도 10을 참조하면, 이론값의 경우, 상대 원심력(RCF)에 반비례해서 실리콘 기판의 두께가 감소하는 것을 확인하였으며, 이는 실험값과 일치하는 것을 알 수 있었다.
Meanwhile, referring to FIGS. 9 and 10, in the case of the theoretical value, it was confirmed that the thickness of the silicon substrate decreased in inverse proportion to the relative centrifugal force (RCF), which was in agreement with the experimental value.

도 11은 가이드가 없는 사각 몰드 회전판 및 일자 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이고, 도 12는 일자 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판 내에 스핀 캐스팅되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a rectangular mold rotating plate having a guideless square mold rotating plate and a straight guide, and FIG. 12 is a photograph showing a silicon substrate spin-cast into a rectangular mold rotating plate having a straight guide.

이때, 실험 조건은 실리콘 용탕 온도 : 1450℃, 실리콘 장입량 10g, 회전판 온도 : 850℃로 고정하고, 회전 속도를 500, 1500 및 3000rpm으로 변화시켜 실험하였다.At this time, the experiment conditions were fixed by melting the silicon melt temperature: 1450 ℃, silicon loading amount 10g, the rotor plate temperature: 850 ℃, and the rotation speed was changed to 500, 1500 and 3000rpm experiment.

도 11의 (a)를 참조하면, 가이드가 없는 사각 몰드 회전판(400)을 사용할 경우, 액상의 용융 실리콘의 탈출로 인해 사각 실리콘 기판의 제조에 실패하였다. 이는 원심력이 사각 몰드내의 액상 상태의 용융 실리콘에 균일하게 작용하지 않은 결과로 사각 몰드의 에지(edge) 부분에 높은 원심력이 작용하여 액상의 용융 실리콘이 탈출하였기 때문이다.Referring to FIG. 11A, when the rectangular mold rotating plate 400 without a guide is used, the manufacturing of the rectangular silicon substrate fails due to the escape of liquid molten silicon. This is because the centrifugal force does not act uniformly on the molten silicon in the liquid phase in the square mold, and the high centrifugal force acts on the edge portion of the square mold to escape the liquid molten silicon.

한편, 도 11의 (b)를 참조하면, 에지 부분의 초과된 원심력을 줄이기 위해 끝단에 일자 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판(500)을 이용한 경우에 있어서도 원심력의 불균일한 분포에 기인하여 액상의 용융 실리콘의 탈출을 막기에는 역부족이었다. 이 결과, 도 12의 (a) ~ (c)에 도시된 바와 같이, 사각 몰드 회전판의 회전 속도를 3000rpm으로 진행하더라도 일자 형상의 가이드가 있는 사각 몰드 회전판 내에 용융 실리콘이 완벽하게 채워지지 않는 것을 확인할 수 있었다.
On the other hand, referring to Figure 11 (b), even in the case of using a rectangular mold rotating plate 500 having a guide having a straight shape at the end to reduce the excess centrifugal force of the edge portion due to the nonuniform distribution of centrifugal force It was not enough to prevent the escape of molten silicon. As a result, as shown in (a) ~ (c) of Figure 12, even if the rotational speed of the square mold rotating plate to 3000rpm it is confirmed that the molten silicon is not completely filled in the square mold rotating plate with a guide of the linear shape Could.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 돔 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판을 나타낸 단면도이고, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 돔 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판 내에 스핀 캐스팅되는 실리콘 기판을 나타낸 사진이다.FIG. 13 is a cross-sectional view of a square mold rotating plate having a dome shaped guide according to an embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a silicon spin-cast into a square mold rotating plate having a dome shaped guide according to an embodiment of the present invention. It is a photograph showing a substrate.

이때, 실험 조건은 실리콘 용탕 온도 : 1450℃, 실리콘 장입량 10g, 회전판 온도 : 850℃로 고정하고, 회전 속도를 1000, 1500 및 2000rpm으로 변화시켜 실험하였다.At this time, the experiment conditions were fixed by melting the silicon melt temperature: 1450 ℃, silicon loading 10g, the rotor plate temperature: 850 ℃, and the experiment was changed by changing the rotation speed to 1000, 1500 and 2000rpm.

도 13의 (a) ~ (c)를 참조하면, 실시예과 같이 상부면 가장자리를 덮는 돔 형상의 가이드를 구비하는 회전판(600)을 이용할 경우에는 스핀 캐스팅 과정에서 액상의 용융 실리콘의 탈출이 감소되는 것을 확인하였다.Referring to (a) to (c) of Figure 13, when using the rotating plate 600 having a dome-shaped guide covering the upper surface edge as in the embodiment, the escape of the liquid molten silicon during the spin casting process is reduced It was confirmed.

이 결과, 도 14의 (a) ~ (c)에 도시된 바와 같이, 돔 형상의 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판을 이용할 경우에는 1000rpm에서 용융 실리콘이 전 영역을 채우지는 못하였으나, 회전 속도를 1500rpm 및 3000rpm으로 높여 수행했을 경우에는 용융 실리콘이 모두 스핀 캐스팅되어 사각 실리콘 기판이 제조된 것을 확인할 수 있었다.
As a result, as shown in (a) to (c) of FIG. 14, when using a square mold rotating plate having a dome-shaped guide, molten silicon did not fill the entire region at 1000 rpm, but the rotation speed was 1500 rpm. And when it was performed at 3000rpm it was confirmed that all the molten silicon is spin cast to produce a square silicon substrate.

도 15 내지 도 17은 주조부의 온도 변화에 따라 제조되는 실리콘 기판의 형상을 나타낸 사진이다.15 to 17 are photographs showing the shape of the silicon substrate manufactured according to the temperature change of the casting part.

이때, 실험 조건은 실리콘 용탕 온도 : 1450℃, 실리콘 장입량 10g, 회전 속도 : 2000rpm으로 고정하고, 회전판 온도를 250℃, 500℃ 및 850℃로 변화시켜 실험하였다.At this time, the experimental conditions were fixed by melting silicon temperature: 1450 ℃, silicon loading 10g, rotational speed: 2000rpm, and the rotating plate temperature was changed to 250 ℃, 500 ℃ and 850 ℃.

도 15 및 도 16을 참조하면, 회전판 온도 : 250℃ 및 500℃에서는 액상의 용융 실리콘의 탈출로 인하여 빈 부분이 생기는 것을 알 수 있다. 반면, 도 17에 도시된 바와 같이, 회전판 온도를 850℃로 상승시킨 경우에는 온전한 사각 실리콘 기판이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
15 and 16, it can be seen that at the rotor plate temperature: 250 ° C. and 500 ° C., empty portions are generated due to escape of the molten silicon in the liquid phase. On the other hand, as shown in Figure 17, when the temperature of the rotating plate was raised to 850 ℃ it was confirmed that the intact square silicon substrate is formed.

도 18은 사각 몰드 회전판에서의 액상의 용융 실리콘의 탈출 조건을 알아보기 위한 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 18 is a graph showing experimental results for evaluating escape conditions of liquid molten silicon in a square mold rotating plate.

도 18에서는 액상의 용융 실리콘의 탈출이 일어나는 지점으로부터 액상의 용융 실리콘이 탈출하는 데 필요한 힘을 계산한 값을 도시하고 있다.In FIG. 18, the force calculated to escape the molten silicon in the liquid phase is shown from the point where the molten silicon in the liquid phase occurs.

이때, 회전판의 중심으로부터 1 ~ 4cm 떨어진 지점(I ~ IV)에서의 상대 원심력(relative centrifugal force: RCF)을 각각 측정한 결과, 상대 원심력의 값이 110(5.02m/s) 이상일 경우 액상의 용융 실리콘의 탈출이 일어남을 알 수 있었다. 이를 사각 몰드 회전판 내에서 살펴보면, 회전판의 중심으로부터 3cm 이상 지점에서 탈출이 시작되고 중심으로부터 3cm 미만인 지점에서는 용융 실리콘의 탈출 전에 바닥으로부터의 열전달을 통하여 응고가 진행되었음을 확인할 수 있었다.
At this time, the relative centrifugal force (RCF) at the point (I ~ IV) 1 ~ 4cm away from the center of the rotating plate was measured, respectively, when the value of the relative centrifugal force is 110 (5.02m / s) or more, melting of the liquid The escape of the silicon was found to occur. Looking at this in the square mold rotating plate, it was confirmed that the solidification proceeded through the heat transfer from the bottom before the escape of the molten silicon at the point of more than 3cm from the center of the rotating plate and starting from less than 3cm from the center of the rotating plate.

지금까지 살펴본 실험 결과를 토대로, 회전하는 회전판 위에서 실리콘 기판을 제조하는 공정 변수는 액상의 유동이 제어된 상태에서 응고가 진행되어야 온전한 사각 실리콘 기판을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.Based on the experimental results discussed so far, it can be seen that the process parameters for manufacturing the silicon substrate on the rotating rotating plate can be produced intact square silicon substrate only when solidification proceeds in a state where the liquid flow is controlled.

특히, 사각 몰드 회전판 위에서 회전에 의한 원심력의 불균일한 작용으로 회전판위에 머무를 수 없는 일정량 이상의 운동량을 가지는 액상의 용융 실리콘이 발생하게 되는 데, 이러한 용융 실리콘의 유동을 회전판의 형상의 변화를 통하여 효과적으로 제어할 수 있다는 것을 확인하였다.
In particular, due to the nonuniform action of the centrifugal force caused by the rotation on the square mold rotating plate, liquid molten silicon having a certain amount of momentum that cannot stay on the rotating plate is generated, and the flow of the molten silicon is effectively controlled by changing the shape of the rotating plate. We confirmed that we could.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
In the above description, the embodiment of the present invention has been described, but various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications may belong to the present invention without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

100 : 실리콘 기판 제조 장치 110 : 챔버
112 : 투입구 114 : 배기구
116 : 진공 배관 120 : 용융부
121 : 토출구 122 : 저장 용기
124 : 히터 130 : 용융 실리콘
140 : 주조부 142 : 회전판
144 : 구동 모터 160 : 냉각부
162 : 냉각수 공급부 164 : 냉각수 공급관
170 : 가스 공급부 180 : 온도 측정부
100: silicon substrate manufacturing apparatus 110: chamber
112: inlet port 114: exhaust port
116: vacuum pipe 120: melting part
121: discharge port 122: storage container
124 heater 130 molten silicon
140: casting part 142: rotating plate
144: drive motor 160: cooling unit
162: cooling water supply unit 164: cooling water supply pipe
170: gas supply unit 180: temperature measuring unit

Claims (17)

외부와의 밀폐 공간을 제공하는 챔버;
상기 챔버의 내부에 배치되며, 실리콘 원료가 장입되고, 저면에 토출구가 형성되어 있는 저장 용기 및 상기 저장 용기의 주변에 장착되어 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 히터를 갖는 용융부;
상기 용융부의 하부에 배치되며, 상기 토출구로부터 적하되는 용융 실리콘을 스핀 캐스팅하는 주조부; 및
상기 스핀 캐스팅되는 용융 실리콘을 냉각하는 냉각부;를 포함하며,
상기 주조부는 그라파이트(graphite) 재질로 형성되는 회전판과 상기 회전판의 회전 운동을 제어하는 구동 모터를 포함하되, 상기 주조부는 상기 회전판 위에 공급되는 용융 실리콘을 상기 회전판의 회전에 의한 원심력에 의하여 외곽으로 이동시키면서 고화되도록 하여 실리콘 기판을 형성하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
A chamber providing a closed space with the outside;
A melting part disposed in the chamber, the melting part including a storage container in which a silicon raw material is charged and a discharge port formed in a bottom surface thereof, and a heater mounted around the storage container to melt the charged silicon raw material;
A casting part disposed under the melting part and spin casting molten silicon dropped from the discharge hole; And
And a cooling unit cooling the molten silicon to be spin cast.
The casting part includes a rotating plate formed of graphite and a driving motor for controlling the rotational movement of the rotating plate, wherein the casting part moves the molten silicon supplied on the rotating plate to the outside by centrifugal force by the rotation of the rotating plate. The silicon substrate manufacturing apparatus using the spin-casting method characterized by forming a silicon substrate by making it solidify while making it solidify.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 내부는
진공 상태의 아르곤 가스 분위기로 유지되는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The interior of the chamber
A silicon substrate manufacturing apparatus using the spin casting method, which is maintained in a vacuum argon gas atmosphere.
제1항에 있어서,
상기 히터는
유도 용융 방식으로 실리콘 원료를 용융시키는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The heater
An apparatus for producing a silicon substrate using a spin casting method, wherein the silicon raw material is melted by an induction melting method.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 회전판의 회전 속도는
1500 ~ 6000rpm인 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The rotational speed of the rotating plate is
Silicon substrate manufacturing apparatus using the spin casting method, characterized in that 1500 ~ 6000rpm.
제1항에 있어서,
상기 주조부는
600 ~ 1100℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The casting part
Silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method, characterized in that maintained at 600 ~ 1100 ℃.
제1항에 있어서,
상기 제조 장치는
상기 용융 실리콘의 토출을 유도하기 위해 상기 저장 용기에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The manufacturing apparatus
And a gas supply unit for supplying an inert gas to the storage container to induce discharge of the molten silicon.
제7항에 있어서,
상기 불활성 가스는
아르곤인 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 7, wherein
The inert gas is
An apparatus for producing a silicon substrate using a spin casting method, characterized in that it is argon.
제1항에 있어서,
상기 제조 장치는
상기 용융부의 온도를 측정하는 온도 측정부와,
상기 온도 측정부를 이용하여 실리콘 용탕의 표면 온도를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 1,
The manufacturing apparatus
A temperature measuring unit measuring a temperature of the melting unit;
And a control unit for controlling a surface temperature of the molten silicon using the temperature measuring unit.
외부와의 밀폐 공간을 제공하는 챔버;
상기 챔버의 내부에 배치되며, 실리콘 원료가 장입되고 저면에 토출구가 형성되어 있는 저장 용기 및 상기 저장 용기의 주변에 장착되어 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 히터를 갖는 용융부;
상기 용융부의 하부에 배치되며, 상기 토출구로부터 적하되는 용융 실리콘을 스핀 캐스팅하는 주조부; 및
상기 스핀 캐스팅되는 용융 실리콘을 냉각하는 냉각부;를 포함하되,
상기 주조부는 상부면 가장자리에 돔 형태로 형성되는 가이드를 구비하는 사각 몰드 회전판 및 상기 사각 몰드 회전판의 회전 운동을 제어하는 구동 모터를 갖는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
A chamber providing a closed space with the outside;
A melting part disposed inside the chamber and having a storage container in which a silicon raw material is charged and a discharge hole is formed at a bottom thereof, and a heater mounted around the storage container to melt the charged silicon raw material;
A casting part disposed under the melting part and spin casting molten silicon dropped from the discharge hole; And
Includes; Cooling unit for cooling the molten silicon is spin cast
The casting part is a silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method characterized in that it has a square mold rotating plate having a guide formed in the shape of a dome on the upper surface edge and a drive motor for controlling the rotational movement of the square mold rotating plate.
제10항에 있어서,
상기 가이드는
상기 사각 몰드 회전판의 몸체와 동종 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 10,
The guide is
Silicon substrate manufacturing apparatus using the spin casting method, characterized in that formed of the same material as the body of the square mold rotating plate.
외부와의 밀폐 공간을 제공하는 챔버;
상기 챔버의 내부에 배치되며, 실리콘 원료가 장입되고 저면에 토출구가 형성되어 있는 저장 용기 및 상기 저장 용기의 주변에 장착되어 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 히터를 갖는 용융부;
상기 용융부의 하부에 배치되며, 상기 토출구로부터 적하되는 용융 실리콘을 스핀 캐스팅하는 주조부; 및
상기 스핀 캐스팅되는 용융 실리콘을 냉각하는 냉각부;를 포함하되,
상기 주조부는 상부면에 형성되는 홈 및 상기 홈의 바닥면에 형성되는 요철 패턴을 구비하는 사각 몰드 회전판과, 상기 사각 몰드 회전판의 회전 운동을 제어하는 구동 모터를 갖는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
A chamber providing a closed space with the outside;
A melting part disposed inside the chamber and having a storage container in which a silicon raw material is charged and a discharge hole is formed at a bottom thereof, and a heater mounted around the storage container to melt the charged silicon raw material;
A casting part disposed under the melting part and spin casting molten silicon dropped from the discharge hole; And
Includes; Cooling unit for cooling the molten silicon is spin cast
The casting part has a spin casting method comprising a square mold rotating plate having a groove formed on an upper surface and a concave-convex pattern formed on a bottom surface of the groove, and a drive motor for controlling the rotational movement of the square mold rotating plate. Silicon substrate manufacturing apparatus used.
제12항에 있어서,
상기 사각 몰드 회전판은
상부면 가장자리에 돔 형태로 형성되는 가이드를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 장치.
The method of claim 12,
The square mold rotating plate is
Silicon substrate manufacturing apparatus using a spin casting method characterized in that it further comprises a guide formed in the shape of a dome on the upper surface edge.
(a) 용융부에 실리콘 원료를 장입하는 단계;
(b) 상기 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계; 및
(c) 상기 용융부로부터 적하되는 용융 실리콘을 회전하는 주조부에 공급하여 상기 주조부의 회전에 의한 원심력에 의하여 외곽으로 이동시키면서 고화되도록 하여 실리콘 기판을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (c) 단계에서, 상기 주조부는 600 ~ 1100℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
(a) charging a silicon raw material to a melting part;
(b) melting the charged silicon raw material; And
(c) supplying molten silicon dropped from the melting part to the rotating casting part to solidify while moving to the outside by centrifugal force caused by rotation of the casting part to form a silicon substrate;
In the step (c), the casting part is a silicon substrate manufacturing method using a spin casting method, characterized in that maintained at 600 ~ 1100 ℃.
삭제delete 제14항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 용융 실리콘의 토출을 유도하기 위해 상기 용융 실리콘에 아르곤 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
The method of claim 14,
In the step (c),
And argon gas is supplied to the molten silicon to induce discharge of the molten silicon.
제14항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 주조부의 회전 속도는
1500 ~ 6000rpm인 것을 특징으로 하는 스핀 캐스팅법을 이용한 실리콘 리본 제조 장치.
The method of claim 14,
In the step (c),
Rotational speed of the casting portion
Silicon ribbon manufacturing apparatus using a spin casting method, characterized in that 1500 ~ 6000rpm.
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