KR101339481B1 - 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법에 관한 것으로, 반응기 챔버내에 설치된 실리콘 로드에 전원을 인가하고 상기 챔버에 실리콘 원소가 포함된 화학적 조성가스를 주입하여 CVD 방식으로 실리콘을 석출하여 실리콘 원료를 획득하기 실리콘 원료 제조를 위해 사용되는 실리콘 로드 제조방법에 있어서, 실리콘 원소재를 박스형상의 도가니에 투입한 상기 도가니를 가열하여 용융시킨 후 냉각 과정을 거쳐 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단계, 상기 단계에서 제조된 실리콘 잉곳의 길이방향에 따라 바(bar) 형태로 절단하는 단계 및 상기 바를 임의의 형태로 접합하여 상기 실리콘 로드를 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 저비용으로 실리콘 로드를 제조할 수 있는 이점이 있다.

Description

단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법{Raw materials for the manufacture of single crystal silicon wafer manufacturing method polysilicon load}

본 발명은 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법에 관한 것으로, 태양전지용 단결정 실리콘 웨이퍼 제조를 위해 필요한 원료를 제조하는 과정에서 반응기를 통해 실리콘 원료를 생성키기 위한 실리콘 로드를 저비용으로 제조할 수 있는 다결정 실리콘 로드 제조방법에 관한 것이다.

최근 규소형 태양전지에 의한 태양광 발전은 무공해, 안정성, 신뢰성 등의 장점으로 인해 시험적인 단계를 지나 상업화 단계에 이르렀다.

미국, 일본, 독일의 경우에는 규소 태양전지를 이용하여 수백 ~ 수천 Kw 용량의 태양광 발전이 이루어지고 있다. 현재 태양광 발전에 이용되고 있는 태양전지는 주로 Czochralski 인상법에 의해 제조된 단결정 규소박판을 이용하여 제조하고 있으나, 앞으로의 지속적인 대규모 용량화를 위해서는 규소박판의 가격을 낮추고 생산성을 더욱 높여야 할 것으로 인식되고 있다. 이와 같은 배경 아래 태양전지용 규소박판의 원가를 절감시키기 위한 노력의 일환으로 주조법이 개발되었다.

주조법에 의한 태양전지용 다결정 규소 주괴의 제조는 기본적으로 방향성 응고를 특징으로 하고 있다. 석영이나 흑연으로 제조된 도가니 속에 다결정 규소 알맹이를 넣어 용융시킨 후 도가니 하부쪽으로 규소의 용해열을 제거시켜 나감으로써 냉각고화 역시 도가니 하부쪽으로부터 상부 쪽으로 이동되도록 하여 일정한 방향성을 가진 이른바, 주상구조(Columnar Structure)의 주괴를 얻고자 하는 것이다.

단결정 실리콘 잉곳 성장을 위해 필요한 멜팅(melting)되는 실리콘 원료는 일예로 저항가열로 뜨거워진 실리콘 로드에 CVD 원리를 이용하여 실리콘을 석출시키거나, 고온에서 유동중인 Si seed 표면에 CVD 원리로 실리콘을 석출하는 방법이 있다. 여기서 저항가열로 실리콘을 석출하기 위해 필요한 실리콘 로드는 가격이 매우 고가이여서 이를 저비용을 생산할 필요성이 요구되는 실정이다. 특히, 단결정의 원형 잉곳에서 사각 로드를 제작하다보니 loss부분이 많이 발생하게 되는 문제점이 있고, 원형의 지름을 늘리는데 한계가 있는 단점이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 때 필요한 실리콘 원료를 만들기 위한 실리콘 로드를 저비용으로 제조할 수 있는 폴리 실리콘 로드 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존의 로드 제작 방법에서 원형 잉곳을 통해 발생되던 loss부분을 사각형 잉곳으로 제작함으로 원가절감을 최소화시키고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반응기 챔버내에 설치된 실리콘 로드에 전원을 인가하고 상기 챔버에 실리콘 원소가 포함된 화학적 조성가스를 주입하여 CVD 방식으로 실리콘을 석출하여 실리콘 원료를 획득하기 실리콘 원료 제조를 위해 사용되는 실리콘 로드 제조방법에 있어서, 실리콘 원소재를 박스형상의 도가니에 투입한 상기 도가니를 가열하여 용융시킨 후 냉각 과정을 거쳐 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단계, 상기 단계에서 제조된 실리콘 잉곳의 길이방향에 따라 바(bar) 형태로 절단하는 단계 및 상기 바를 임의의 형태로 접합하여 상기 실리콘 로드를 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 접합하는 단계는, '∩'형상으로 접합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실리콘 로드를 제조하는 단계는, 확산 접합(diffusion bonding)을 통해 바 형태를 접합시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실리콘 로드, 접합되는 끝단으로 서로 대응하는 홈과 키를 형성시키고, 끼움결합 후 확산 접합하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 생산을 위한 실리콘 원료를 제작할 때 반응기에 사용되는 실리콘 로드를 단결정 실리콘을 이용하여 저비용을 생산할 수 있는 이점이 있다. 즉, 사각 박스형으로 잉곳을 제조하여 한 batch에서 생산하는 량을 늘려 cost를 크게 절감시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법의 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법의 순서도,
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 로드의 다른 접합방법을 도시한 도면.

이하, 본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법은, 반응기 챔버내에 설치된 실리콘 로드에 전원을 인가하고 상기 챔버에 실리콘 원소가 포함된 화학적 조성가스를 주입하여 CVD 방식으로 실리콘을 석출하여 실리콘 원료를 획득하기 실리콘 원료 제조를 위해 사용되는 실리콘 로드 제조방법에 있어서, 실리콘 원소재를 박스형상의 도가니에 투입한 상기 도가니를 가열하여 용융시킨 후 냉각 과정을 거쳐 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단계, 상기 단계에서 제조된 실리콘 잉곳의 길이방향에 따라 바(bar) 형태로 절단하는 단계 및 상기 바를 임의의 형태로 접합하여 상기 실리콘 로드를 제조하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실리콘 로드 제조방법은, 비교적 저렴한 다결정 실리콘 잉곳을 길이형상으로 우선적으로 제조하고, 상기 잉곳을 절단하여 반응기에 설치되는 실리콘 로드로 사용함으로써 로드의 생산성을 향상시킬 수 있고, 저비용으로 제조할 수 있는 것을 본 발명의 주요 기술적 요지로 한다.

본 발명에 따른 제조방법인 실리콘 로드(100)는 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 때 공급되는 실리콘 원료를 제조할 때 사용되는 소재로써, 상기 실리콘 로드(100)를 반응기에 설치하고 반응기(200) 내에 실리콘 원소가 포함된 가스를 주입하고 로드에 전원을 인가함으로써 CVD 원리에 따라 로드에 실리콘이 스퍼터링된다. 로드에 스퍼터링된 실리콘 소재를 다시 파괴하고 이를 단결정 실리콘 성장에 필요한 원료로 사용한다.

우선, 본 발명에서는 실리콘 로드(100)를 제조하기 위해 다결정 잉곳을 제조하고 단결정 잉곳을 이용하여 실리콘 로드를 제조한다. 또한, 반응기에 설치되는 실리콘 로드는 구조적 특성 상 길이 형상의 바 형태로 요구되기 때문에 가공 효율성을 위하여 다결정 잉곳은 박스 형상으로 성장시킨다.

다결정 실리콘 주괴를 제조하기 위한 제조장치를 도시하지는 않았지만, 구성을 개략적으로 살펴보면 소정크기의 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 구비되어 실리콘 원 소재를 수용하는 도가니와, 상기 도가니 내의 실리콘 원 소재를 용융시키기 위해 열을 가하는 히터와, 상기 도가니 하측으로 구비되는 써셉터, 상기 도가니 내에 용융된 실리콘을 성장시키기 위해 열을 방출시키는 냉각판과, 상기 도가니와 냉각판 사이에 구비되어 실리콘 용융 또는 성장시키기 위해 열방출을 구속하는 도어 개폐장치와, 상기 도가니의 온도를 측정하는 온도센서 및 상기 온도센서의 출력값을 받아 도가니 내의 실리콘의 용융 및 균일한 성장이 이루어지도록 도가니 내의 온도를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 다결정 실리콘 제조장치에 실리콘 원 소재를 주입하여 실리콘 잉곳을 제조하는데, 이때 상기 도가니는 길이 형상의 박스 구조(직사각형)를 가지며, 박스 형상의 잉곳으로 제조하여야 한다. 본 발명의 목적에 따라 실리콘 로드의 생산성 효율을 위해서 길이 형상의 다결정 잉곳을 제작하고, 상기 잉곳의 길이방향에 따라 바(bar)형태로 절단하여 로드를 제작한다. 직사각형 형상의 다결정 실리콘 잉곳을 바 형태로 절단하여 실리콘 로드를 제조하기 때문에 재료의 잔여물이 발생하지 않으며, 반응기의 크기나 특성에 따라 절단되는 실리콘 바의 두께와 길이를 결정할 수 있다.

다음으로 상기 단계에서 절단된 실리콘 바를 접합하여 실리콘 로드를 제작한다. 반응기에 설치되는 실리콘 로드의 모양은 '∩'자 형상으로 제작하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 바 형태로 절단된 다결정 실리콘 잉곳을 3부분으로 절단하여 접합시킨다.

도 4는 본 발명에 따른 실리콘 로드의 다른 접합방법을 도시한 도면이다. 도 4의 도시된 바와 같이 실리콘 로드를 접합할 때 다양한 방법으로 접합될 수 있는데, 본 발명에 따른 바람직한 실시예로 바 형태의 실리콘 로드를 (a)에 나타낸 바와 같이 확산접합(diffusion bonding)을 통해 접합한다. 확산접합은 모재의 절대 용융온도의 1/2보다 높은 온도 범위에서 행하는 고상 접합법으로 원자 스케일의 확산에 의존하기 때문에 강한 접합을 얻을 수 있다.

(b)와 (c)의 경우는 실리콘 로드 접합단으로 서로 대응하는 홈(101)과 키(102)를 가공하여 고정시킨 후 확산접합을 실시한다. (b), (c) 실시예의 경우 접합면적을 넓게 형성시킴으로써 보다 견고한 접합을 이룰 수 있다.

이러한 과정을 통해 완성된 실리콘 로드를 반응기에 설치하고, 실리콘 로드의 양단으로 전원을 인가하고, 반응기 내부로 실리콘 원소가 포함된 주입가스(SiHCI₃)과 수소가스(H₂)를 주입한다. 실리콘 로드에 걸린 전압에 의해 주입된 가스의 실리콘 원자가 로드에 스퍼터링 된다. 이러한 원리는 CVD 원리에 의해 작용하는 것으로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

반응기(200)에 설치된 실리콘 로드에는 고순도의 실리콘 재료를 획득할 수 있게 되고, 이를 다시 분쇄하여 단결정 실리콘 성장을 위한 재료로 사용된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조에 필요한 고순도 실리콘 원료를 만들 때 사용되는 실리콘 로드를 생산적이고 저비용으로 제조할 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 실리콘 로드 101 : 홈
102 : 키 110 : 실리콘
120 : 분쇄물(괴상) 200 : 반응기
300 : 다결정 잉곳

Claims (4)

1. 반응기 챔버내에 설치된 실리콘 로드에 전원을 인가하고 상기 챔버에 실리콘 원소가 포함된 화학적 조성가스를 주입하여 CVD 방식으로 실리콘을 석출하여 실리콘 원료를 획득하기 실리콘 원료 제조를 위해 사용되는 실리콘 로드 제조방법에 있어서,
   실리콘 원소재를 박스형상의 도가니에 투입한 상기 도가니를 가열하여 용융시킨 후 냉각 과정을 거쳐 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단계;
   상기 단계에서 제조된 실리콘 잉곳의 길이방향에 따라 바(bar) 형태로 절단하는 단계; 및
   상기 바를 임의의 형태로 접합하여 상기 실리콘 로드를 제조하는 단계;를 포함하여 구성되며,
   상기 실리콘 로드를 제조하는 단계는 확산 접합(diffusion bonding)을 통해 바 형태를 접합시키는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 로드 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 접합하는 단계는,
   '∩'형상으로 접합하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 웨이퍼 원료 제조를 위한 다결정 실리콘 로드 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘 로드,
   접합되는 끝단으로 서로 대응하는 홈과 키를 형성시키고, 끼움결합 후 확산 접합하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 로드 제조방법.
   
   

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