KR101136930B1 - 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 원료를 정제하여 실리콘 잉곳을 제조하는 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서 표준 도가니의 상부에 조립 도가니를 구비함에 따라 많은 양의 실리콘 원료를 넣어 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니에 관한 것이다. 이를 위하여, 실리콘 원료를 용융하고 상부가 개방된 형태인 표준 도가니, 상기 표준 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 도가니의 측면을 둘러싸는 표준 도가니 서포터, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되어, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되며 내부의 가로 및 세로의 폭이 상기 표준 도가니보다 좁은 크기로서 상기 표준 도가니의 상부면과 상기 경사면이 맞닿아 위치하는 조립 도가니, 상기 조립 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 조립 도가니의 측면을 둘러싸는 조립 도가니 서포터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니{Crucible for manufacturing silicon ingot with detachable crucible}

본 발명은 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 원료를 정제하여 실리콘 잉곳을 제조하는 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서 표준 도가니의 상부에 조립 도가니를 구비함에 따라 많은 양의 실리콘 원료를 넣어 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니에 관한 것이다.

실리콘 잉곳 제조장치는 태양 전지에 사용되는 실리콘 웨이퍼를 만들기 위한 실리콘 잉곳을 제조하는 장치로서, 도 3에 도시된 바와 같이 석영 및 그라파이트로 이루어진 도가니(10)와, 도가니(10)의 위치를 설정해주기 위한 도가니 서포터(20)에 의해 도가니(10)가 둘러싸이고, 도가니 서포터(10)는 히터(30)에 의해 둘러싸인 구성이다. 또한 도가니의 하부에는 도가니(10)의 냉각 시 필요한 냉각 플레이트(40)로 구성되고, 도가니의 하부와 냉각 플레이트의 상부 사이에는 작업에 따라 도가니 받침대(50), 히터(30), 단열판(60) 등이 구성될 수도 있다.

상기 구성은 진공 분위기의 밀폐된 챔버(70) 내에 형성되어 실리콘 잉곳을 제조한다.

실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 대해 간략하게 설명하면 도가니(10)에 실리콘 원료(80)를 충진하고 도가니의 서포터(20) 외부에 둘러싸고 있는 히터(30)를 통해 도가니(10)를 가열한다. 가열된 도가니(10)에 충진된 실리콘 원료가 용융되고 나면 히터(30)의 전원을 내린 다음 도가니(10)의 하부와 냉각 플레이트(40)를 접촉시켜 방향성 응고 과정을 통해 실리콘을 재결정시켜서 실리콘 잉곳을 제조한다.

도가니에서 제조된 실리콘 잉곳은 제조 후 실리콘 잉곳 상하부의 일정 부위를 잘라낸 다음 사용하게 되는데, 이때 도가니는 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 재결정 과정 중 실리콘 원료와 도가니의 열팽창계수의 차이에 따라 파손이 되서 재사용이 불가능하게 되어 일회의 작업마다 도가니를 계속 교체해주어야 하고, 제조된 실리콘 잉곳은 일정 부위만큼의 두께를 잘라내어 사용해야 하기 때문에 실리콘 잉곳의 유효한 높이만큼의 두께가 한정적일 수밖에 없는 문제점이 있다.

또한, 주로 가루 형태인 실리콘 원료는 단위 크기가 큰 실리콘 원료의 경우 공극이 많이 생기게 되어 실리콘 원료를 도가니에 넣을 때 저밀도로 채워질 수밖에 없어서 저밀도 실리콘 원료를 사용하는 경우에는 도가니에 충진할 수 있는 장입량에 제한이 있게 된다. 이에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 표준 실리콘의 원료를 사용했을 때의 제조되는 실리콘 잉곳의 높이(H)보다 저밀도 실리콘의 원료를 사용했을 때의 제조되는 실리콘 잉곳의 높이(h)가 낮아 일회의 작업으로 생산할 수 있 는 실리콘 웨이퍼의 양이 작게 되는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위하여 높이가 높은 도가니를 사용할 수도 있지만 높이가 높은 도가니는 비용이 많이 들고 제조가 어려운 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여 실리콘 원료를 용융하기 위한 도가니의 상부에 조립 도가니를 구비하여 일회의 작업으로 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여 용융된 실리콘 원료를 냉각하는 과정 중에 도가니가 파손이 되는데, 이러한 도가니의 교체에 따른 비용의 부담을 줄이는 데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 잉곳의 제조 시 실리콘 원료가 용융되면서 도가니의 밖으로 흘러내리는 것을 방지하는 데에 있다.

본 발명인 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니는 실리콘 원료를 정제하여 실리콘 잉곳을 제조하는 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서 실리콘 원료를 용융하고 상부가 개방된 형태인 표준 도가니, 상기 표준 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 도가니의 측면을 둘러싸는 표준 도가니 서포터, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되어, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되며 내부의 가로 및 세로의 폭이 상기 표준 도가니보다 좁은 크기로서 상기 표준 도가니의 상부면과 상기 경사면이 맞닿아 위치하는 조립 도가니, 상기 조립 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 조립 도가니의 측면을 둘러싸는 조립 도가니 서포터를 포함하여 이루어진다.

본 발명은 실리콘 잉곳을 제조하는 장치의 도가니 상부에 조립 도가니가 구비됨에 따라 실리콘 원료의 장입량이 크게 되어 표준 실리콘 원료뿐만 아니라 저밀도 실리콘 원료을 사용하여도 일회의 작업으로 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조하는 효과가 있고, 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여 용융된 실리콘을 냉각하는 과정 중에 도가니가 파손되는데 이러한 도가니의 교체에 따른 발생 비용의 부담을 줄이는 데에 있다.

또한, 조립 도가니의 내부 폭이 표준 도가니의 내부 폭보다 작게 구성되고, 표준 도가니의 상부면과 맞닿는 조립 도가니의 경사면으로 인하여 실리콘 원료가 용융되면서 표준 도가니의 벽을 타고 밖으로 흘러내리는 것을 방지하고 표준 도가니로 다시 모이게 되어 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의한 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

먼저 본 발명인 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니는 실리콘 원료를 정제하여 실리콘 잉곳을 제조하는 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서, 실리콘 원료를 용융하고 상부가 개방된 형태인 표준 도가니, 상기 표준 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 도가니의 측면을 둘러싸는 표준 도가니 서포터, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되어, 상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되며 내부의 가로 및 세로의 폭이 상기 표준 도가니보다 좁은 크기로서 상기 표준 도가니의 상부면과 상기 경사면이 맞닿아 위치하는 조립 도가니, 상기 조립 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 조립 도가니의 측면을 둘러싸는 조립 도가니 서포터를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예로 상기 조립 도가니의 경사면은 수평을 기준으로 3~7°만큼 상기 조립 도가니의 내부로 기울어질 수 있다.

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본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 조립 도가니의 측면과 상기 조립 도가니 서포터의 측면은 1~10㎜ 간격으로 떨어져 있는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 조립 도가니는 일체형과 분리형 중 어느 하나일 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하기로 한다. 하기 설명은 일실시예일 뿐이고 본 발명은 이것에 국한되지 않는다.

도 1은 본 발명인 표준 도가니(100)와 표준 도가니(100)의 상부에 올려진 조립 도가니(200)를 나타낸 측단면도이다. 실리콘 잉곳 제조장치의 도가니 주변에 있는 히터, 단열판, 냉각플레이트 등은 도 3에 도시되어 있고, 도 1에서는 생략되었다.

석영 또는 그라파이트로 이루어진 표준 도가니(100)와, 상기 표준 도가니(100)의 측면에는 표준 도가니(100)의 위치를 잡아주기 위한 표준 도가니 서포터(110)가 둘러싸고 있고, 표준 도가니(100)의 하부에는 표준 도가니 받침대(120)가 있다.

상기 표준 도가니 서포터(110), 상기 표준 도가니 받침대(120) 및 후술할 조립 도가니(200), 조립 도가니 서포터(210)는 모두 그라파이트 재질 및 그라파이트 재질에 다른 물질이 코팅된 것으로 이루어져 도가니 주위 히터의 가열 및 냉각 플레이트의 냉각 시 열전도가 뛰어나다.

상기 표준 도가니 서포터(110)는 표준 도가니(100)와 결합되어 고정된 것이 아니라 표준 도가니(100)의 교체 시 올바른 위치에 표준 도가니(100)를 놓기 위하여 자리를 설정해주고, 또한 실리콘 잉곳 제조 시 용융된 실리콘을 냉각하여 재결정을 시키는 과정 중에 표준 도가니(100)가 파손되는데, 파손된 표준 도가니(100)의 조각들이 외부로 흩어지는 것을 막아주는 기능을 가지고 있다.

상기 표준 도가니 서포터(110)의 측면은 상기 표준 도가니(100)의 측면과 약 1~10㎜ 간격으로 떨어져 위치하도록 구성한다. 상기 간격이 너무 크면 표준 도가니(100)의 교체 이송 시 유동이 발생할 수 있다. 상기 간격은 표준 도가니 서포터(110)를 구성하는 과정 중에 표준 도가니와의 양 측면 간격에 일부 차이가 있을 수도 있지만 허용오차 범위 내의 것으로 무방하다.

상기 표준 도가니(100)의 상부에는 조립 도가니(200)가 올려지고 조립 도가니(200)의 측면에는 조립 도가니 서포터(210)가 둘러싸인다.

상기 표준 도가니(100)의 상부에 조립 도가니(100)가 올려진 구성은 실리콘 잉곳을 제조할 때 일회의 작업으로 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 것이다.

상기 표준 도가니(100)의 상부에 올려진 조립 도가니(200)는 표준 도가니(100)와 같은 재질로 구성되고, 상하부가 개방된 형태이다. 재질은 작업에 따라 다르게 구성할 수도 있다.

상기 조립 도가니(200)의 하부에 형성된 경사면(230)은 상기 표준 도가니의 상부면(130)과 맞닿게 구성되는데, 조립 도가니(200)의 내부 정사각형의 가로 및 세로의 폭이 표준 도가니(100)의 내부 폭보다 각각 약 10㎜ 만큼 짧게 형성되어 도 1의 측단면도에 도시된 바와 같이 조립 도가니(200)의 내부 측면이 표준 도가니(100)의 내부 측면보다 안쪽으로 형성된다.

한편, 상기 조립 도가니의 경사면(230)은 상기 표준 도가니의 상부면(130)과 수평으로 일치하도록 맞닿지 않고, 조립 도가니의 경사면(230)은 수평을 기준으로 하여 3~7°만큼 조립 도가니(200)와 표준 도가니(100)의 내부로 기울어져 있다.

상기와 같은 구성은 실리콘 잉곳을 제조할 때 히터를 이용하여 실리콘 원료를 용융하게 되면 용융된 실리콘 원료가 도가니의 벽면을 타고 흘러내리기 때문에 조립 도가니의 경사면(230)이 도가니 내부로 경사짐에 따라 용융된 실리콘이 도가니의 바깥으로 흘러내리는 것을 방지할 수 있다. 또한 조립 도가니(200)의 내부 측면이 표준 도가니(100)의 내부 측면보다 안쪽에 위치하게 되어 용융된 실리콘 원료가 흘러나가지 않고 다시 표준 도가니에 모이게 되어 결국 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조할 수 있게 된다.

상기 조립 도가니(200)는 관리와 제조상의 편리를 위하여 일체형으로 또는 도 2에 도시된 바와 같이 절단면(220)을 기준으로 2등분, 4등분 등의 분리형으로 제조할 수도 있다.

상기 절단면(220)은 조립 도가니(200)의 각 측면 중심부이거나 또는 각 측면의 끝단인 조립 도가니의 모서리가 절단면(220)이 될 수도 있다.

분리형으로 제조하는 이유는 실리콘 재결정 시 상기 표준 도가니(100)가 파손되는데 작업에 따라 상기 조립 도가니(200)가 파손되는 경우도 있다. 이때 파손된 부위만 교체할 수 있어 교체에 따른 비용의 부담을 줄일 수 있다.

상기 조립 도가니(200)의 높이는 실리콘의 원료와 제조되는 실리콘 잉곳의 유효 높이를 감안하여 결정되는데, 도가니의 외부를 둘러싸고 있는 히터와 단열재를 포함한 실리콘 잉곳 제조장치의 핫존(Hot zone) 사이즈를 고려하여 결정한다.

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상기 조립 도가니(200)의 외부를 둘러싸고 있는 조립 도가니 서포터(210)는 표준 도가니 서포터(110)와 유사한 기능과 구성을 가진다. 이때 조립 도가니(200)의 재질과 형태에 및 작업 내용에 따라 조립 도가니 서포터(210)를 사용하지 않을 수도 있으나, 안전을 위해서는 사용하는 것이 바람직하다.

상기 조립 도가니 서포터(210)는 조립 도가니(200)와 결합되어 고정된 것이 아니라 조립 도가니(200)의 교체 시 올바른 위치에 조립 도가니(200)를 놓기 위하여 자리를 설정해주고, 또한 실리콘 잉곳 제조 시 용융된 실리콘을 냉각하여 재결 정을 시키는 과정 중에 작업의 종류에 따라 조립 도가니(200)가 파손되는 경우 파손된 조립 도가니(200)의 조각들이 외부로 흩어지는 것을 막아주는 기능을 가지고 있다.

상기 조립 도가니 서포터(210)의 측면은 상기 조립 도가니(200)의 측면과 약 1~10㎜ 간격으로 떨어져 위치하도록 구성하고, 5㎜ 이내가 더욱 바람직하다. 상기 간격이 너무 크거나 작을 경우 조립 도가니(200)의 교체 시 유동으로 표준 도가니(100)에 떨어지는 문제가 발생하거나 조립 도가니(200)가 조립 도가니 서포터(210)에 끼이는 경우가 생길 수 있다.

상기와 같이 본 발명을 통하여 실리콘 잉곳을 제조하는 장치의 표준 도가니(100) 상부에 조립 도가니(200)가 구비됨에 따라 실리콘 원료의 장입량이 크게 되어 일회의 작업으로 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조하는 효과가 있고, 실리콘 잉곳을 제조하는 중 파손되는 도가니의 교체에 따른 비용의 부담을 줄일 수 있다.

또한, 조립 도가니(200)의 내부 폭이 표준 도가니(100)의 내부 폭보다 작게 구성되고, 표준 도가니의 상부면(130)과 맞닿는 조립 도가니의 경사면(230)으로 인하여 실리콘 원료가 용융되면서 표준 도가니(100)의 벽을 타고 밖으로 흘러내리는 것을 방지하고 표준 도가니(100)로 다시 모이게 되어 유효 높이가 높은 실리콘 잉곳을 제조할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예를 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되 어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 측단면도.

도 2는 조립 도가니의 평면도.

도 3은 종래 도가니를 나타낸 실리콘 잉곳 제조장치의 측단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 표준 도가니

110 : 표준 도가니 서포터

120 : 표준 도가니 받침대

130 : 표준 도가니 상부면

200 : 조립 도가니

210 : 조립 도가니 서포터

220 : 조립 도가니의 절단면

230 : 조립 도가니 하부 경사면

H : 표준 실리콘 원료 사용 시 제조되는 실리콘 잉곳의 높이

h : 저밀도 실리콘 원료 사용 시 제조되는 실리콘 잉곳의 높이

Claims (5)

1. 실리콘 원료를 정제하여 실리콘 잉곳을 제조하는 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서,

   실리콘 원료를 용융하고 상부가 개방된 형태인 표준 도가니;

   상기 표준 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 도가니의 측면을 둘러싸는 표준 도가니 서포터;

   상하부가 개방되고 하부에는 경사면이 형성되며, 내부의 가로 및 세로의 폭이 상기 표준 도가니보다 좁은 크기로서 상기 표준 도가니의 상부면과 상기 경사면이 맞닿아 위치하는 조립 도가니;

   상기 조립 도가니의 위치를 잡아주기 위하여 조립 도가니의 측면을 둘러싸는 조립 도가니 서포터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 조립 도가니의 경사면은 수평을 기준으로 3~7°만큼 상기 조립 도가니의 내부로 기울어진 것을 특징으로 하는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니.
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4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 조립 도가니는 일체형과 분리형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 조립 도가니의 측면과 상기 조립 도가니 서포터의 측면은 1~10㎜ 간격으로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 조립 도가니를 구비한 실리콘 잉곳 제조용 도가니.

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