KR101100667B1 - 실리카 유리 도가니 및 이를 이용한 실리콘 단결정의 인상 방법 - Google Patents

Abstract

실리콘 결정을 인상하는데 사용되는 실리카 유리 도가니에 있어서, 도가니의 동일한 높이 위치에서 도가니의 전체 원주를 따라 측정되는 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6% 이하이다.

도가니, 기포 함유량, 두께, 투과율

Description

실리카 유리 도가니 및 이를 이용한 실리콘 단결정의 인상 방법 {SILICA GLASS CRUCIBLE AND METHOD OF PULLING SILICON SINGLE CRYSTAL WITH SILICA GLASS CRUCIBLE}

본 발명은 반도체 재료로서 실리콘 단결정, 태양 전지 재료로서 실리콘 결정 등을 인상하는데 사용되는 실리카 유리 도가니에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 빠른 결정화 속도로 실리콘 단결정을 인상할 수 있는 실리카 유리 도가니 및 이를 이용한 실리콘 단결정 인상 방법에 관한 것이다.

실리카 유리 도가니는 반도체 재료로서 실리콘 단결정, 태양 전지 재료로서 실리콘 결정 등을 인상하는데 사용된다. 예컨대, 실리콘 단결정은 주로, 실리카 유리 도가니에 채워진 다결정 실리콘 덩어리를 실리콘 용융물을 형성하기 위해 가열하여 용융시키고, 실리콘 용융물에 종결정(seed crystal)을 침지시킨 후, 실리콘 용융물로부터 종결정을 인상하는 방법에 의해 제조된다. 태양 전지 재료로서 실리콘 결정은 실리콘 단결정과 비교할 때 단일-결정화 정도에 있어서 낮지만, 동일한 인상 방법에 의해 제조된다.

실리콘 결정의 인상은, 실리카 유리 도가니를 회전시키면서 실리콘 용융물을 균일하게 가열함으로써 행해진다. 이 경우에, 도가니의 원주(circumference) 방향으로 기포 함유량 및 투과율(transmission)이 불균일하면, 도가니 내면에 형성되는 갈색 링이 불균일하게 분산된다. 또한, 도가니의 두께가 불균일한 경우, 도가니 형태는 결점이 있게 된다.

실리콘 결정을 인상함에 있어서, 도가니의 내면이, 연장된 기간 동안 더 높은 온도로 실리콘 용융물과 접촉하게 되는 경우, 도가니 내부의 얕은 표면층이 부분적으로 결정화되어 링 형상의 갈색 크리스토발라이트(christobalite)(갈색 링)가 생성된다. 갈색 링의 불균일한 분포 또는 결함이 있는 도가니 형태의 불균일한 분포가 현저해짐에 따라, 도가니의 내면에서부터 얇은 조각으로 벗겨지는 부분이 증가하게 되고, 벗겨진 조각들이 실리콘 용융물에 포함되어, 실리콘 결정의 결정화도(crystallinity)가 감소하게 된다.

도가니의 내면이 더 높은 온도로 연장된 기간 동안 실리콘 용융물과 접촉하는 경우, 도가니 내면과 실리콘 용융물 사이의 반응에 의해 SiO 가스가 생성되고, 이로 인해 실리콘 용융물이 진동하게 되어 실리콘 결정의 결정화도가 감소하게 된다.

일본공개특허공보 제2005-320241호에는, 갈색 링의 수를 특정 범위 내로 제한함으로써 실리콘 결정을 안정적으로 인상하는 방법이 제안되어 있다. 일본공개특허공보 제2002-154894호에는, 생성되는 SiO 가스의 양을 특정 수준 이하로 제어하는 실리카 유리 도가니를 사용함으로써, 실리콘 용융물의 액면(liquid-level) 진동을 방지하는 것이 제안되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 실리콘 결정의 인상시에 생성되는 갈색 링 또는 SiO 가스로 인한 결정화도 감소에 관한 상술한 문제점을 해결하는 것이다. 본 발명에 따르면, 소정 값보다 높은 실리콘 결정의 결정화도를 달성하기 위해, 실리카 유리 도가니의 소정의 높이 위치에서 실리카 유리 도가니의 원주를 따라 측정되는 기포 함유량, 두께 및, 투과율의 표준이 제공되며, 구체적으로는, 예컨대 80% 이상의 결정화도를 갖는 실리콘 결정을 얻기 위한 실리카 유리 도가니의 허용 범위가 제공된다.

본 발명은 다음의 구성을 갖는 실리카 유리 도가니에 관한 것이다:

(1) 실리카 유리 도가니의 동일한 높이 위치에서 도가니의 전체 원주를 따라 측정되는 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6% 이하인 것을 특징으로 하는 실리카 유리 도가니.

(2) 상기 (1)에 있어서, 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 3% 이하인 실리카 유리 도가니.

(3) 상기 (1)에 있어서, 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 1.5% 이하인 실리카 유리 도가니.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항목에 기재된 실리카 유리 도가니를 이용하는 것을 포함하는 실리콘 단결정의 인상 방법.

본 발명에 따른 실리카 유리 도가니는, 도가니의 동일한 높이 위치에서 전체 원주를 따라 측정되는 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6% 이하인, 실리콘 결정을 인상하는데 사용되는 실리카 유리 도가니로서, 실리콘 결정을 인상하는 동안 실리콘 용융물의 액면 진동 및 도가니 내면의 벗겨짐을 실질적으로 일으키지 않고 높은 결정화도가 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 실리카 유리 도가니는 실리콘 결정을 인상하는데 사용되는 실리카 유리 도가니이다. 도 1에는 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니의 종단면도가 모식적으로(schematically) 도시되어 있다. 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니(10)에 있어서, 동일한 도가니 높이 위치(H)에서 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차는 6% 이하, 바람직하게는 3% 이하, 더욱 바람직하게는 1.5% 이하이다.

여기서 사용되는 "원주 방향 최대 허용 오차"라는 용어는, 동일한 높이 위치에서 도가니의 전체 원주를 따라 측정되는 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 평균값에서 이 평균값으로부터 가장 벗어난 값을 뺌으로써 얻어지는 값의 백분율이다. 예컨대, 평균값이 A이고, 평균값으로부터 가장 벗어난 값이 B인 경우, 원주 방향 최대 허용 오차 X(%)는 다음의 식 [1]로 주어진다:

원주 방향 최대 허용 오차 X(%) = (B-A)의 절대값 / A × 100 ...[1]

천연 실리카 유리로 제조된 외층과 합성 실리카 유리로 제조된 내층의 2층 구조로 도가니가 구성되는 경우, 기포 함유량은 내층의 기포 함유량을 의미하며, 구체적으로는 도가니의 내층을 형성하는 투명 유리층의 기포 함유량을 의미한다. 일반적으로, 32인치 직경을 갖는 실리카 유리 도가니의 경우, 도가니의 내층으로서 투명 유리층은 도가니의 내면으로부터 약 0.5mm 내지 10mm의 두께를 갖는 층 부분에 대응한다.

벽 두께는 도가니의 내면에서부터 외면까지의 절단부에서의 최단 거리이다.

투과율은 도가니의 외면에서부터 내면까지의 절단부에서의 투과율이다.

또한, 도가니의 동일한 높이 위치(H)는 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율을 측정하는데 요구되는 특정 폭을 가질 수도 있다.

도가니의 동일한 높이 위치에서 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6% 이하가 되도록 실리카 유리 도가니의 원주 방향 균일성을 제어함으로써, 실리콘 결정 인상시에 80% 이상의 결정화도를 얻을 수 있다.

반면에, 실리카 유리 도가니의 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율 중 어느 하나의 원주 방향 최대 허용 오차가 6%를 초과하면, 결정화도는 현저하게 낮아진다. 덧붙여 말하자면, 얇은 조각으로 벗겨지는 현상은 기포 함유량 및 벽 두께의 원주 방향 최대 허용 오차가 6%를 초과하는 경우 도가니의 내면 상에서 일어나는 경향이 있는 반면에, 실리콘 용융물의 액면 진동은 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6%를 초과하는 경우 일어나는 경향이 있다. 어느 경우에 있어서도, 결정화도는 현저하게 감소한다.

본 발명의 실리카 유리 도가니는, 회전하는 도가니 같은 몰드의 내면 상에 석영 분말을 퇴적시키고, 몰드를 회전시키면서, 유리로 변화되는 더 높은 온도로 석영 분말층을 가열하여 도가니를 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있으며, 이 방법에 있어서 몰드의 내면 상에는 다이얼 게이지(dial gauge)가 설치되고, 내면의 횡방향 진동 수준이 몰드 내경의 0.1%보다 크지 않도록 제어된다.

본 발명을 실시예 및 비교예를 참조하여 구체적으로 설명한다. 또한, 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율은 다음과 같은 방법으로 측정된다. 또한, 결정화도는, 채워진 출발 재료의 중량 대(對) 인상된 결정 잉곳의 직선형 베이스부 중량의 비에 의해 결정된다.

측정되는 도가니의 높이 위치(H)는, 도가니의 개구가 위쪽 방향인 경우, 도가니의 바닥 위치와 도가니 측벽부의 상단 위치 사이의 중간 위치에서의 높이로 설정된다(예컨대 28인치 도가니의 경우, 높이 위치(H)는 도가니의 바닥 위치로부터 250mm이다).

기포 함유량은 도가니의 내층(도가니의 내면으로부터 1mm 두께를 갖는 부분)으로서의 투명층에서 단위 면적당 차지하는 기포의 면적에 의해 결정된다.

벽 두께는, 측정 높이 위치에서 도가니의 외면에서부터 내면까지의 벽 두께를 측정함으로써 결정된다.

투과율은 다음의 식에 의해 계산된다.

투과율(%) = W1/W0×100

여기서, 적외선 조사 장치와 적외선 측정 기구 사이에 도가니를 배치시킨 상태에서의 적외선의 양이 W1이고, 적외선 조사 장치와 적외선 측정 기구 사이에 도 가니를 배치하지 않은 상태에서의 적외선의 양이 W0이다.

실시예 1 내지 3

본 발명에 따른 실리카 유리 도가니(내경: 32인치)가 표 1에 나타낸 조건에 따라 제조되고, 그 후 실리콘 결정이 인상된다. 그 결과가 표 1 에 나타나 있다.

비교예 1 내지 4

실리카 유리 도가니(내경: 32인치)가 표 1에 나타낸 조건에 따라 제조되고, 그 후 실리콘 결정이 인상된다. 그 결과가 표 1에 나타나 있다.

	원주 방향 최대 허용 오차(%)			액면 진동	내면의 벗겨짐	결정화도 (%)
	기포 함유량	벽 두께	투과율
실시예 1	1.3	1.1	1.2	없음	없음	84
실시예 2	2.5	2.7	2.9	없음	없음	82
실시예 3	5.8	5.6	5.4	없음	없음	80
비교예 1	6.9	1.8	1.5	없음	존재	39
비교예 2	2.2	7.2	2.8	없음	존재	36
비교예 3	1.8	2.7	7.7	존재	없음	41
비교예 4	7.2	8.2	7.6	존재	존재	30

표 1 에서 볼 수 있는 것처럼, 실시예 1 내지 3에서는 모두, 실리콘 용융물의 액면 진동 및 도가니 내면의 벗겨짐 없이 80% 이상의 결정화도가 얻어진다. 또한, 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 3%보다 크고 6% 이하인 실시예 3에서는 결정화도가 80%인 반면, 원주 방향 최대 허용 오차가 1.5%보다 크고 3% 이하인 실시예 2에서는 결정화도가 82%만큼 높고, 또한 원주 방향 최대 허용 오차가 1.5% 이하인 실시예 1에서는 결정화도가 84%로 가장 높다. 반면에, 비교예 1 내지 3 에서는 결정화도가 41% 이하로서 실시예 1 내지 3의 경우보다 상당히 낮다. 특히, 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6%를 초과하는 비교예 4에서는, 실리콘 용융물의 액면 진동 및 도가니 내면의 벗겨짐이 일어나게 되고 결정화도는 30%로 가장 낮았다.

도 1은 실리카 유리 도가니의 종단면도이다.

Claims (4)

1. 실리콘 결정을 인상하는데 사용되는 실리카 유리 도가니로서,

   상기 도가니의 동일한 높이 위치에서 상기 도가니의 전체 원주(circumference)를 따라 측정되는 각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 6% 이하인 것을 특징으로 하는 실리카 유리 도가니.

   (여기서, 상기 기포 함유량은, 상기 도가니가 내층과 외층의 2층 구조로 구성된 경우 내층의 기포 함유량을 의미하고, 상기 벽 두께는 상기 도가니의 내면에서부터 외면까지의 절단부에서의 최단 거리를 의미하고, 상기 투과율은 상기 도가니 외면에서부터 내면까지의 절단부에서의 투과율을 의미하고, 상기 원주 방향 최대 허용 오차는 상기 도가니의 전체 원주를 따라 측정되는 값들의 평균값에서 이 평균값으로부터 가장 벗어난 값을 뺌으로써 얻어지는 값의 백분율을 의미한다.)
2. 제1항에 있어서,

   각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 3% 이하인 실리카 유리 도가니.
3. 제1항에 있어서,

   각 기포 함유량, 벽 두께 및, 투과율의 원주 방향 최대 허용 오차가 1.5% 이하인 실리카 유리 도가니.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 실리카 유리 도가니를 이용하는 것을 포함하는 실리콘 단결정의 인상 방법.

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