KR101080757B1 - 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치, 이를 이용하여 제조된 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

생산성 및 품질을 동시에 높일 수 있는 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 이를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 제조 방법에 대하여 개시한다.

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치는 실리콘 용융 도가니로서 일측에 수평방향의 토출홈이 형성되어 있으며, 실리콘이 용융되는 용융부; 상기 용융부를 가열하기 위한 가열부; 용융된 실리콘이 상기 용융부의 토출홈을 통과하여 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판으로 주조되는 주조 공간부, 상기 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판이 냉각되어 고화(solidification)되는 냉각 응고부, 상기 냉각 응고부의 끝단에 위치하여, 냉각 응고 고화된 실리콘 기판을 수평으로 이송시키는 이송부를 포함한다.

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치를 통하면, 태양전지용 실리콘 기판은 용융부에서 용융된 실리콘이 토출홈을 통하여 수평 방향으로 토출되어 주조 공간부에서 플레이트형의 실리콘 기판으로 주조되고, 주조된 플레이트형의 실리콘 기판이 냉각 응고부의 끝단에 접촉되는 더미 플레이트에 의해 연속적으로 고화되어 이송되는 과정으로 제조될 수 있다. 이때, 상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘 기판의 이송 속도는 실리콘의 고화 속도와 일치한다.

Description

연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치, 이를 이용하여 제조된 태양전지용 실리콘 기판 및 그 제조 방법 {APPARATUS FOR MANUFACTURING DIRECTLY SILICON SUBSTRATE FOR SOLAR CELL USING CONTINUOUS CASTING, METHOD OF MANUFACTURING SILICON SUBSTRATE USING THE APPARATUS AND SILICON SUBSTRATE MANUFACTURED THE METHOD FOR SOLAR CELL}

본 발명은 태양전지 기판용 실리콘 기판을 연속적으로 제조하기 위한 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연속 주조법(continuous casting)을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판의 높은 생산성 및 에너지 변환효율 향상을 위한 실리콘 기판의 품질 등을 모두를 향상시킬 수 있는 태양전지용 실리콘 기판 연속 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.

태양전지용 실리콘 기판은 일반적으로 실리콘 용융후, 용융된 실리콘을 응고시켜 단결정 실리콘 잉곳(ingot) 또는 다결정 실리콘 블록을 제조한 후, 수차례에 걸친 절단 공정을 통하여 제조된다.

태양전지용 실리콘 기판을 제조하기 위한 단결정 실리콘 잉곳은 실리콘 용탕으로부터 종자결정을 이용한 결정 성장 공정을 통한 초크랄스키(Czochralski) 법으로 제조된다.

그리고 또 다른 방법으로 제조된 다결정 실리콘 블록은 HEM(Heat Exchanger Method) 공법 또는 Bridman-Stockbarger 공법을 이용하여 일방향 응고공정를 통하여 제조된다. 이와 같이 제조된 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록은 여러 단계의 절단공정을 통해 실리콘 기판으로 제조된다.

단결정 실리콘 잉곳을 이용한 실리콘 기판은 도 1과 같은 제조 공정을 통하여 제조된다.

첫 번째 cropping은 잉곳의 shoulder, tail을 절단하는 공정이고, 두 번째 grinding은 원하는 크기(직경)로 잉곳을 연마 가공하는 공정이고, 세 번째 flatting은 방향 인식 등을 위해 잉곳 한쪽 부분을 flat, notch 형태로 가공하는 공정이고, 네 번째 slicing (sawing)은 잉곳을 웨이퍼 형태로 자르는 공정이고, 다섯 번째 edge profiling (edge Rounding)은 깨짐 등을 방지하기 위해 웨이퍼 가장자리를 둥글게 가공하는 공정이고, 여섯 번째 lapping은 slicing 결함 제거, flatness 향상, 두께 조정을 위해 웨이퍼의 양면을 연마하는 공정이고, 일곱 번째 etching은 웨이퍼 표면의 결함층을 화학적으로 제거하는 공정이고 마지막 여덟 번째 Polishing은 단면 또는 양면을 화학적, 물리적 방법으로 연마해 결함이 없고 평탄도가 우수한 경면을 제조하는 공정으로 상기의 첫 번째 cropping, 두 번째 grinding, 세 번째 flatting 및 네 번째 slicing을 거치면서 잉곳의 50% 정도가 절단 손실(Kerf-loss)로 버려진다.

한편, 다결정 실리콘 블록을 이용한 실리콘 기판은 도 2와 같은 제조 공정을 통하여 제조된다.

첫 번째 blocking은 다결정 실리콘 블록을 원하는 크기로 절단하는 공정이고, 두 번째 cropping은 블록의 head, tail을 절단하는 공정이고, 세 번째 edge grounding은 블록의 가장자리를 둥글게 가공하는 공정이고, 네 번째 slicing은 블록을 웨이퍼 형태로 자르는 공정이고, 다섯 번째 polishing은 단면 또는 양면을 화학적, 물리적 방법으로 연마해 결함이 없고 평탄도가 우수한 경면을 제조하는 공정으로 상기 첫 번째 blocking, 두 번째 cropping, 세 번째 edge grounding, 네 번째 slicing에서 절단손실이 40 % 이상 발생한다.

이와 같이, 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록을 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 경우, 여러 절단 과정에 의해 40% 이상의 절단손실이 발생한다. 이렇게 기판 제조 공정 중 발생하는 절단손실은 태양전지의 핵심소재인 실리콘 기판의 제조단가 상승의 핵심적인 요인으로 작용한다.

따라서, 최근의 태양전지용 실리콘 기판 제조 공정에서는 기존의 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 잉곳 제조 및 잉곳 절단 공정 없이 용융된 실리콘에서 바로 박형의 실리콘 기판을 얻음으로써 기존의 태양전지용 실리콘 기판 제조시 발생하는 절단 손실을 원천적으로 방지하고 있다.

다시 말해 상기 방법은 용융된 실리콘으로부터 바로 고화된 기판을 직접 제조할 수 있어, 잉곳 제조 및 절단 공정이 제거되어 실리콘 기판 생산 단가가 최대 50%까지 절감 가능하다.

현재 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술은 크게 수직 성장 기술과 수평성장 기술이 공지되어 있다. 공지된 대표적인 수직성장 기술로는 EFG(Edge-defined Film-fed Growth), SR(String Ribbon) 등이 있으며, 수평성장 기술로는 RGS(Ribbon Growth on Substrate), Silicon Film Technology, CDS(Crystallization on Dipped Substrate) 등이 있다.

도 3은 융용된 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 수평으로 직접 제조하는 RGS(Ribbon Growth on Substrate) 방법에 의해 제조된 실리콘 기판의 응고 방식의 개략도와 상기 응고방식에 의해 제조된 실리콘 기판의 미세구조를 도시한 것이다.

RGS 방법에 의한 실리콘 제조 기술은 수평성장에 의한 실리콘 기술 직접 제조 기술의 하나로 하부 기판을 통해 제조된 실리콘 기판의 잠열을 급속하게 제거함으로서 높은 생산속도를 확보하여, 현재 상업화된 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술 중 가장 높은 생산성을 가지고 있다.

도 3을 참조하면, 본 방식에 의해 태양전지용 실리콘 기판을 제조할 경우, 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고 액 계면은 연직 방향으로 수평의 기판 성장 방향과 수직을 이루어 실리콘 기판 제조시 경사면을 형성하게 된다. 따라서, 결정립이 조밀하고, 경사진 고액 계면을 따라 응고가 진행되기 때문에 불순물이 실리콘 기판 표면으로 편석되는 현상이 발생하게 되어 제조된 실리콘 기판의 품질이 저 하되게 된다.

이렇게 제조된 실리콘 기판을 태양전지용 기판으로 사용하는 경우에는 사용하는 기판의 품질이 뛰어나지 못하기 때문에 높은 에너지 변환 효율을 기대할 수 없어 에너지 변환효율이 저하되는 단점이 있다.

수직 성장 기술의 경우, 결정성장 방향과 진행 방향이 평행하기 때문에 결정이 길이 방향으로 성장하여 결정 크기가 크고, 이는 태양전지의 변환 효율을 높이는 장점이 있다. 그러나, 수직성장 기술의 경우, 상기와 같은 장점이 있는 반면, 응고속도가 매우 느려 생산성 면에서 불리한 단점이 있다.

한편, 수평성장 기술의 경우 결정성장 방향과 진행 방향이 수직하기 때문에 결정이 기판의 두께 방향으로 성장하여 결정크기가 작고 불순물들의 석출로 인해 변환 효율이 수직성장 기술에 비해 떨어지는 단점이 있으나, 넓은 면적의 기판을 통해 잠열의 제거를 효율적으로 할 수 있어 기판을 빠른 속도로 성장시킬 수 있는 장점이 있다.

따라서, 종래의 실리콘 기판의 직접 제조 기술은 실리콘 기판의 생산성과 에너지 변환효율이 상충 관계에 놓여 있는 바, 실리콘 기판의 생산성 및 품질을 모두 높여 태양전지 기판 등으로 적용할 수 있는 실리콘 기판 제조 기술이 요구된다.

본 발명의 목적은 연속 생산 및 물성제어가 용이한 연속주조법(continuous casting)을 응용하여 제조되는 실리콘 기판의 고-액 계면을 기판성장방향과 수직하게 유지함으로써 에너지 변환 효율에 악영향을 미치는 불순물들의 제어를 용이하게 함과 동시에 결정립 크기를 크게 제어할 수 있는 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 이를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치는 실리콘 용융 도가니로서 일측에 수평방향의 토출홈이 형성되어 있으며, 실리콘이 용융되는 용융부; 상기 용융부를 가열하기 위한 가열부; 용융된 실리콘이 상기 용융부의 토출홈을 통과하여 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판으로 주조되는 주조 공간부, 상기 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판이 냉각되어 고화(solidification)되는 냉각 응고부, 상기 냉각 응고부의 끝단에 위치하여, 냉각 응고 고화된 실리콘 기판을 수평으로 이송시키는 이송부를 포함한다.

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치를 통하면, 태양전지용 실리콘 기판은 용융부에서 용융된 실리콘이 토출홈을 통하여 수평 방향으로 토출되어 주조 공간부에서 플레이트형의 실리콘 기판으로 주조되고, 주조된 플레이트형의 실리콘 기판이 냉각 응고부의 끝단에 접촉되는 더미 플레이트에 의해 연속적으로 고화되어 이송되는 과정으로 제조될 수 있다.

이때, 상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘 기판의 이송 속도는 실리콘의 고화 속도와 일치하며, 실리콘 고화를 위한 고-액 계면은 기판성장방향과 수직방향으로 형성된다.

상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 아르곤과 같은 불활성 가스가 공급될 수 있다. 또한, 상기 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(suction hole)을 통하여 가스를 흡입(suction)함으로써 초기에 상기의 불활성 가스에 의한 가압과 함께 용융 실리콘의 토출이 유도될 수 있다.

상기 제시한 제조 장치를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 제조 방법은 (a)용융부에 실리콘 원료를 장입하고, 가열부를 이용하여 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계; (b)상기 용융부 일측의 토출홈을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 토출하는 단계; (c)주조 공간부 내부의 주조 공간에서 플레이트형 실리콘 기판을 주조하는 단계; (d)냉각 응고부에서 주조된 실리콘 기판을 냉각하고 및 더미 플레이트의 끝단으로부터 연속적으로 고화(solidification)시키는 단계; 및 (e)상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘을 수평방향으로 이송하는 단계를 포함한다.

상기 (a)단계에서 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스가 대략 700~900sccm의 유량으로 공급될 수 있으며, 이와 함께 초기 주조 공간부에 배치되는 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)을 통한 가스 흡입이 더 이루어질 수 있다.

그리고 상기 (d)단계의 실리콘의 고화 속도는 상기 (e)단계의 고화된 실리콘의 이송 속도와 일치한다.

본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치는 생산성 및 물성제어가 용이한 연속주조법을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판 제조의 생산성을 높일 수 있으며, 제조되는 실리콘 기판의 결정 성장 방향이 도 4에 도시한 바와 같이 기판의 성장 방향과 수평하게 유지되어 최종 형성된 실리콘 기판의 결정립 크기가 큰 장점이 있다.

또한, 기판성장방향과 수직방향으로 형성되는 고-액 계면을 유지함으로써 에너지 변환 효율에 악영향을 미치는 불순물들을 지속적으로 용융 실리콘 쪽으로 이동시킬 수 있다. 이동된 불순물은 용융 실리콘으로 지속적으로 빠져나와 결과적으로 제조된 실리콘 기판의 고순도를 유지할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치를 이용하여 제조된 실리콘 기판은 태양전지용 기판에 적용할 경우, 저비용의 기판으로 높은 에너지 변환효율을 얻을 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 예들은 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치 및 이를 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

용융된 실리콘으로부터 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조시, 그 생산성은 실리콘의 고화(solidification) 속도에 의해 결정되고, 에너지 변환 효율은 실리콘 기판의 미세구조에 따라 결정되는데, 고화 속도가 빠를수록 생산성이 높으며, 결정립의 크기가 클수록 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 고품질화가 된다.

도 4는 본 발명이 적용되는 연속주조법을 이용한 응고 방식과 미세구조를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 실리콘 기판 제조시 실리콘 결정 성장 방향이 제조되는 실리콘 기판의 성장 방향과 수평하게 유지된다. 따라서, 도 4의 오른쪽 그림에 도시된 바와 같이, 최종 실리콘 기판의 결정립의 크기가 클 뿐만 아니라, 실리콘 고화 과정에서 생성되는 수직 고액 계면에 의해 융융 실리콘에 포함되어 있는 불순물이 용융 실리콘(Si liquid) 쪽으로 이동하여 고품질의 실리콘 기판을 제조할 수 있다.

또한, 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조의 경우, 주조부와의 접촉을 통한 급냉으로 고화 속도를 빠르게 할 수 있으며, 또한 더미 플레이트의 이송 속도를 제어함으로서 실리콘 기판의 생산성을 높일 수 있다.

따라서, 본 발명에 적용되는 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술은 종래의 수직 성장기술 및 수평 성장기술에서 상충하였던 생산성 및 품질을 모두 높일 수 있으며, 이에 따라, 가격 경쟁력이 요구되면서도 높은 에너지 변환효율을 필요로 하는 태양전지용 기판에 적용 가능한 장점이 있다.

실리콘 기판 직접 제조 장치

도 5는 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

도 5는 도시된 실리콘 제조 장치(300)는 용융 실리콘이 형성되는 용융부(310), 용융부를 가열하기 위한 가열부(312), 용융 실리콘이 고화(solidification)되는 주조부(320) 및 고화된 실리콘 기판이 이송되는 이송부(330)를 포함한다.

용융부(310)는 실리콘 용융 도가니로서, 용융부(310)에는 실리콘 원료가 장입되며, 측면 등에 배치되는 히터나 유도코일, 플라즈마, 이빔(e-beam) 장치 등과 같은 가열부(312)를 통하여 가열되어, 내부에 장입되는 실리콘 원료를 용융시킨다. 이 때, 실리콘의 용융방식에는 제한이 없으나, 유도코일을 이용한 유도용융방식을 이용하는 것이 바람직하다.

용융부(310)의 일측에는 수평방향의 토출홈(314)이 형성되어 있으며, 상기 토출홈(314)을 통하여 용융부(310) 내부에서 용융된 실리콘이 주조부(320)의 실리 콘 주조 공간부(325)에 마련된 실리콘 주조 공간(321)로 토출된다.

상기 토출홈(314)은 100~500㎛의 두께로 이루어질 수 있다. 토출홈의 두께는 제조되는 실리콘 기판의 두께를 결정하며, 연속주조시 생산성을 결정하게 된다. 토출홈이 100㎛ 미만일 경우, 수직방향의 고-액 계면 제어가 어렵고, 응고된 기판의 기계적 강도가 저하되어 연속 생산시 실리콘 기판이 파손될 염려가 있어 공정제어가 어려워지는 문제점이 있다. 점도를 낮추어 용융 실리콘의 유동성을 높이기 위하여, 토출홈(314)을 통하여 토출되는 용융 실리콘의 온도는 실리콘 용융온도(1414℃)보다 약간 높은 1450~1500℃에서 조절되는 것이 바람직하다.

한편, 토출홈(314)의 두께가 500㎛를 초과할 경우, 고-액 계면 제어가 상대적으로 용이하나 응고시간이 길어져 생산속도가 낮아진다는 단점이 있다. 따라서 상기 토출홈은 100~500㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, 고-액 계면의 용이한 제어와 높은 생산성을 얻기 위해 200~300㎛의 두께가 보다 바람직하다.

용융부(310)에는 아르곤(Ar) 가스와 같은 불활성 가스가 공급될 수 있다. 공급되는 불활성 가스는 용융부(310) 내부를 가압하여, 토출홈(314)을 통한 용융 실리콘의 토출을 유도하는 역할을 한다. 토출홈(314)을 통하여 토출되는 용융 실리콘의 온도가 낮을수록 유동성이 낮아지게 되므로 불활성 가스에 의한 가압은 더 크게 이루어지고, 반대로, 용융실리콘의 온도가 높을수록 유동성이 높아지게 되므로 불활성 가스에 의한 가압은 상대적으로 작게 이루어질 수 있다.

이때, 공급되는 불활성 가스의 유량이 증가할수록 불활성 가스에 의한 압력이 증가된다. 이때, 불활성 가스에 의한 압력이 증가할수록 토출 유도 효과를 높일 수 있으나, 불활성 가스로 인한 압력이 너무 높은 경우, 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 최종적으로 제조된 기판의 밀도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 불활성 가스는 700~900sccm의 유량범위에서 조절되는 것이 바람직하다. 불활성 가스의 공급 유량이 700sccm 미만일 경우, 가압 효과가 작아 용융 실리콘의 토출이 이루어지기 어려우며, 불활성 가스의 공급 유량이 900sccm을 초과할 경우, 상술한 바와 같이 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 제조된 실리콘 기판의 밀도를 저하시킬 수 있다.

불활성 가스에 의한 가압은 상기와 같은 이유로 압력범위에 제한이 있으므로, 불활성 가스에 의한 가압만으로는 용융 실리콘의 토출 유도가 완전히 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 문제는 주조부(320)에 배치되는 더미 플레이트(322) 내부를 관통하여 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole, 도 6의 610)을 형성함으로써 해결될 수 있다. 이 경우 더미 플레이트(322)는 초기에 토출홈(314)에 연결되며, 불활성 가스에 의한 가압과 더미 플레이트 내부의 복수의 가스 흡입 홀(610)을 통한 주조부(320) 방향으로의 가스흡입이 동시에 이루어져 용융 실리콘의 토출 유도 효과를 높일 수 있다.

불활성 가스는 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 원료와 동일 공간을 통하여 함께 용융부(310)로 공급될 수 있다. 또한 불활성 가스는, 도면에는 도시되지 않았으나 실리콘 원료가 공급되는 부분과 분리된 다른 공간을 통하여 용융부(310) 내부로 분리 공급될 수 있다.

주조부

주조부(320)는 용융부(310)의 측면에 배치되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 내부에 용융부(310)에 형성된 토출홈(314)과 수평으로 연결되는 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판 주조 공간(321)이 형성되어 있다. 실리콘 기판 주조 공간(321)은 제조되는 실리콘 기판의 크기를 결정하는 부분으로, 상기 실리콘 기판 주조 공간(321)에서 용융 실리콘이 냉각되어 고화(solidification)된다.

주조부(320)는 용융 실리콘을 플레이트형의 실리콘 기판으로 주조하기 위한 주조 공간(321)이 마련되어 있는 주조 공간부(325)와 주조된 실리콘 기판을 냉각하여 고화시키기 위한 냉각 응고부(326)로 구분될 수 있으며, 냉각 응고부(326)는 다시 실리콘 기판을 냉각하여 응고하기 위한 응고부와 응고된 실리콘 기판에 남아있는 응력을 해소하기 위한 응력해소부로 구분될 수 있다.

냉각 응고부(326)에서 응고부는 용융 실리콘으로부터 열을 빼앗아 응고시키는 역할을 한다. 이때, 용융 실리콘의 상부 및 하부에서의 열이동량을 균일하게 하여 고-액 계면을 수직으로 형성하는 것이 바람직하다.

냉각 응고부(326) 내부 공간의 두께는 상부측으로 주조 공간부(325) 내부 주조 공간(321)의 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 실리콘 기판이 고화된 후 고화된 실리콘 기판 내에 남아있는 열응력을 해소하기 위한 최소한의 공간을 확보하기 위함이다. 또한, 냉각 응고부(326)에서 응력해소부는 응고부와 별도로 온도제어가 이루어지고, 기판성장방향으로 온도 구배(gradient)를 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 이는, 기판에 남아있는 열응력을 상부방향으로 효과적으로 빠져나갈 수 있도록 하기 위함이다.

이때, 실리콘 기판 주조 공간(321)에는 더미 플레이트(dummy plate, 322)가 배치된다. 더미 플레이트(322)의 끝단은 용융 실리콘을 고화하기 위한 고-액 계면의 시작점을 제공하여, 더미 플레이트(322)의 끝단으로부터 고-액 계면이 형성되면서 용융 실리콘이 고화가 연속적으로 이루어진다.

고-액 계면에서 불순물은 용융 실리콘 쪽으로 수평방향으로 이동하게 된다. 종래에는 불순물이 수직방향으로 이동하여 제조된 실리콘 기판 표면에 불순물이 포함되어 기판의 품질 저하가 발생하여, 태양전지 기판으로 이용할 경우 낮은 에너지 변환효율의 원인이 되었으나, 본 발명에서는 종래와 달리 불순물이 수평방향으로 이동함으로써 제조된 실리콘 기판 표면에 불순물이 포함되지 않게 되어 고품질의 실리콘 기판을 통한 에너지 변환 효율 향상에 기여할 수 있게 된다.

이송부

도 7은 도 5에서 "A"로 표시된 부분을 나타내는 것으로서, 도 7을 참조하면 고화(고상화)가 진행되는 방향과 고화된 실리콘의 이송 방향은 서로 반대방향이 된다.

도 8은 더미 플레이트 및 고화된 실리콘이 이송되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

이송부(330)는 주조부(320), 구체적으로는 냉각 응고부(326)의 끝단에 위치하며, 주조부(320)에서 고화된 실리콘을 수평으로 이송시킨다. 이를 위해, 이송 부(330)는 도 5 및 도 8에 도시된 바와 같이, 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러(331,332)로 이루어질 수 있다.

이때, 이송부(330)에 마련되는 롤러들(331,332)의 구동을 통하여 고화된 실리콘이 이송되는 속도는 상기 실리콘의 고화 속도와 일치하도록 제어된다. 이를 통하여, 고화가 이루어지는 위치, 즉 고-액 계면이 형성되는 위치는 더미 플레이트(322)의 끝단의 위치로, 연속주조가 이루어지는 동안 일정하게 된다.

실리콘 기판 제조 방법

상술한 실리콘 기판 직접 제조 장치(300)를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 과정을 요약하면 다음과 같다.

우선, 용융부(310)에 실리콘 원료를 장입하고, 히터(312) 또는 유도 코일, 플라즈마, 이빔 등을 통하여 용융부(310) 내부의 온도를 높여 실리콘 원료를 용융시킨 후, 용융부(310) 일측에 형성된 토출홈(314)을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 주조부(320)의 주조 공간부(325)에 마련된 실리콘 주조 공간(321)으로 토출한다.

용융 실리콘은 점도를 낮추어 용융 실리콘의 유동성을 높이기 위하여, 1450~1500℃의 온도에서 토출되는 것이 바람직하다.

이때, 용융 실리콘의 토출 유도는 용융부(310)에 아르곤 가스와 같은 불활성 가스의 공급을 통한 가압으로 이루어질 수 있다. 불활성 가스로 인한 압력이 너무 높은 경우, 실리콘 용탕 내부로 기공을 형성하여 최종적으로 제조된 기판의 밀도를 저하시킬 수 있으므로, 불활성 가스는 대략 700~900sccm의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 용융 실리콘의 토출 효과를 높이기 위하여, 상기 불활성 가스의 가압과 함께 더미 플레이트(322)에 형성된 복수의 가스 흡입 홀(도 6의 610)을 통한 가스 흡입을 이용할 수 있다.

다음으로, 주조부(320)에서 용융 실리콘이 플레이트형 실리콘 기판으로 주조된 후 냉각 응고되는데, 주조부(320)에 배치되는 더미 플레이트(322)의 끝단에서부터 연속적으로 실리콘의 고화가 진행된다. 이 때, 주조부(320)의 냉각 응고부를 통해 실리콘의 고-액 계면을 수직으로 유지하면서 응고가 진행되고, 응고된 실리콘 기판의 열응력이 해소된다.

다음으로, 이송부(330)를 통하여 더미 플레이트(322) 및 고화된 실리콘이 수평방향으로 이송된다. 이때, 용융 실리콘의 고화 속도는 더미 플레이트(322) 및 고화된 실리콘의 이송 속도와 동일한 속도로 이루어져 실리콘 기판의 연속주조가 이루어지게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법은 생산성 및 품질을 향상시킬 수 있어, 태양전지용 기판에 적용이 가능하다.

이상에서는 본 발명의 예를 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.

도 1은 종래의 단결정 실리콘 잉곳을 이용한 실리콘 기판의 제조 공정을 나타낸 것이다.

도 2는 종래의 다결정 실리콘 블록을 이용한 실리콘 기판의 제조 공정을 나타낸 것이다.

도 3은 종래의 급속응고법의 응고 방식 및 제조된 실리콘 기판의 미세 구조를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명이 적용되는 연속주조법을 이용한 응고 방식과 미세구조를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6은 도 5의 주조부를 나타낸 것이다.

도 7은 도 5의 "A"부분을 나타낸 것이다.

도 8은 더미 플레이트 및 고화된 실리콘이 이송되는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

Claims (17)

1. 실리콘 용융 도가니로서 일측에 수평방향의 토출홈이 형성되어 있으며, 실리콘이 용융되는 용융부;

   상기 용융부를 가열하기 위한 가열부;

   용융된 실리콘이 상기 용융부의 토출홈을 통과하여 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판으로 주조되는 주조 공간부;

   상기 플레이트(plate) 형의 실리콘 기판이 냉각되어 고화(solidification)되는 냉각 응고부; 및

   상기 냉각 응고부의 끝단에 위치하여, 고화된 실리콘 기판을 수평으로 이송시키는 이송부를 포함하고,

   상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스가 공급되고,

   상기 냉각 응고부에는 더미 플레이트(dummy plate)가 배치되어, 상기 더미 플레이트의 끝단에서부터 연속적으로 실리콘의 고화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘의 이송 속도는 실리콘의 고화 속도와 일치하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 냉각 응고부는 주조된 실리콘 기판이 응고되는 응고부 및 응고된 실리콘 기판의 응력을 해소하는 응력해소부(Stress Release zone)를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 응고부 및 응력해소부는 온도제어가 별도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 냉각 응고부의 내부 공간은 상기 주조 공간부의 내부 공간보다 두껍게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 더미 플레이트는 초기에 상기 토출홈에 연결되도록 배치되고, 내부를 관통하여 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)이 형성되어, 상기 불활성 가스와 함께 용융 실리콘의 토출을 유도하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 직접 제조 장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 토출홈은 100~500㎛의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속 주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 가열부는 히터, 유도코일, 플라즈마 및 이빔 장치 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 직접 제조 장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 이송부는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤러로 이루어진 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 직접 제조 장치.
11. 삭제
12. 제1항에 기재된 실리콘 기판 직접 제조 장치를 이용하여 실리콘 기판을 제조하는 방법에 있어서,

    (a)용융부에 실리콘 원료를 장입하고, 가열부를 이용하여 장입된 실리콘 원료를 용융시키는 단계;

    (b)상기 용융부 일측의 토출홈을 통하여 용융 실리콘을 수평방향으로 토출하는 단계;

    (c)주조 공간부 내부의 주조 공간에서 플레이트형 실리콘 기판을 주조하는 단계;

    (d)냉각 응고부에서 주조된 실리콘 기판을 냉각하고 및 더미 플레이트의 끝단으로부터 연속적으로 고화(solidification)시키는 단계; 및

    (e)상기 더미 플레이트 및 고화된 실리콘을 수평방향으로 이송하는 단계를 포함하고,

    상기 용융부에는 가압을 통하여 용융 실리콘의 토출을 유도하는 불활성 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
13. 삭제
14. 제12항에 있어서,

    상기 불활성 가스는 700~900sccm의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
15. 제12항에 있어서,

    상기 더미 플레이트 내부를 관통하여 형성되는 복수의 가스 흡입 홀(gas suction hole)을 통한 가스 흡입이 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.
16. 제12항에 있어서,

    상기 (b)단계에서 용융 실리콘은 1450~1500℃의 온도에서 토출되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 방법.
17. 제12항에 있어서,

    상기 (d)단계의 실리콘의 고화 속도는 상기 (e)단계의 고화된 실리콘의 이송 속도와 일치하는 것을 특징으로 하는 연속주조법을 이용한 실리콘 기판 제조 방법.

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