KR101394158B1 - 실리콘 기판 제조장치 - Google Patents
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Abstract
실시예는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 상기 공급된 실리콘을 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장하며, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 토출구를 갖는 실리콘 용탕 저장부; 및 상기 실리콘 용탕 저장부 하부에 배치되어 상기 실리콘 용융물을 이송하는 이송기판을 포함하고, 상기 토출구를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부의 하측부의 일면은 상기 실리콘 용탕 저장부의 측벽 외측방향으로 소정각도로 경사진 실리콘 기판 제조장치를 제공한다.
Description
본 발명은 실리콘 기판 제조 장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판의 품질을 향상 시킬 수 있는 연속 주조법에 의한 실리콘 기판 제조 장치 및 제조방법에 관한 것이다.
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.
이러한 제조방법은 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 1은 종래 급속응고법의 응고방식 및 제조된 실리콘 기판의 미세구조를 나타낸 것으로, 구체적으로, 용융된 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 수평성장방법으로 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 제거 함으로서 높은 생산속도를 확보하여, 현재 상업화된 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술 중 가장 높은 생산성을 가지고 있다.
도 1을 참조하면, 본 방식에 의해 태양전지용 실리콘 기판을 제조할 경우, 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고 액 계면은 연직 방향으로 수평의 기판 제조방향과 평행을 이룬다. 따라서, 결정립이 조밀하고, 경사진 고액 계면을 따라 응고가 진행되기 때문에 불순물이 실리콘 기판 표면으로 편석되는 현상이 발생하게 되어 제조된 실리콘 기판의 품질이 저하되게 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 기판 제조 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 기판 제조 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 놓여있는 바, 실리콘 기판의 생산성 및 품질을 모두 높여 태양전지 기판 등으로 적용할 수 있는 실리콘 기판 제조기술이 요구된다.
본 발명의 목적은 수평성장 방법을 통한 실리콘 기판 제조시 최종 실리콘 기판의 표면 거칠기를 최소화하여 실리콘 기판의 품질을 향상시킬 수 있는 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 수평성장 방법을 통한 실리콘 기판 제조시 실리콘 기판의 결정립 크기를 제어하여 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 수평성장 방법을 통한 실리콘 기판 제조시 실리콘 용탕의 응고속도를 제어하여 실리콘 기판의 결정립 크기를 제어할 수 있는 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 실리콘 용융물 이송시 이송에 따른 부하를 최소화하고, 동시에 표면 거칠기를 최소화 하여 박판형상의 실리콘 기판을 용이하게 제작할 수 있는 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치는 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부; 상기 공급된 실리콘을 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장하며, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 토출구를 갖는 실리콘 용탕 저장부; 및 상기 실리콘 용탕 저장부 하부에 배치되어 상기 실리콘 용융물을 이송하는 이송기판을 포함하고, 상기 토출구를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부의 하측부의 일면은 상기 실리콘 용탕 저장부의 측벽 외측방향으로 소정각도로 경사진다.
실리콘 용탕 저장부는 상기 하측부에서 상기 토출구 외측으로 연장된 토출 연장부를 포함할 수 있다.
실리콘 용탕 저장부의 하측부의 일면은 플랫하거나 만곡될 수 있다.
토출 연장부는 내부에 히터를 포함하여 상기 실리콘 용융물의 표면 열처리할 수 있다.
실리콘 기판 제조장치는 실리콘 용탕 저장부의 외벽을 둘러싸 상기 실리콘 용탕 저장부를 가열하는 실리콘 용탕 가열부를 더 포함할 수 있다.
실리콘 용탕 가열부는 가열 온도조절을 통해 상기 실리콘 용탕의 응고속도를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다른 실리콘 기판 제조장치는 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부; 상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장하며, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 토출구를 갖는 실리콘 용탕 저장부; 및 상기 실리콘 용탕 저장부 하부에 배치되어 상기 실리콘 용융물을 이송하는 이송기판을 포함하고, 상기 실리콘 용탕 저장부 중 상기 토출구를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부의 일측부의 두께가 타측부의 두께보다 두껍고, 상기 실리콘 용탕 저장부의 일측부의 일면은 상기 실리콘 용탕 저장부의 측벽 외측방향으로 소정각도로 경사진다.
실리콘 용탕 저장부는 가열 처리될 수 있다.
실리콘 용탕 저장부는 유도가열 혹은 저항 가열될 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법은 실리콘 기판 표면 거칠기를 최소화하여 박판 형상의 실리콘 기판을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법은 실리콘 기판의 표면 열처리를 통하여 결정립 크기를 조절하고 이에 따라 실리콘 기판의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 기판 제조장치 및 제조방법은 실리콘 용융물 이송시 이송에 따른 부하를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래 실리콘의 급속 응고에 따른 응고 방법 및 이에 따라 제조된 실리콘 기판의 표면 미세 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 없이 제조된 실리콘 기판의 형상을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 후 제조된 실리콘 기판 형상을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 실리콘 기판 제조장치를 나타낸 도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부를 구체적으로 나타낸 도이다.
도 7a 및 7b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부의 다른 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 실리콘 기판 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 없이 제조된 실리콘 기판의 형상을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 후 제조된 실리콘 기판 형상을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 실리콘 기판 제조장치를 나타낸 도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부를 구체적으로 나타낸 도이다.
도 7a 및 7b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부의 다른 구조를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 실리콘 기판 장치를 나타낸 도이다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연속 주조법에 의한 실리콘 기판 제조장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 박판 제조 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면, 도시된 실리콘 박판 제조 장치(100)는 실리콘 원료 투입부(110), 실리콘 용융부(120), 도가니 가열부(130), 실리콘 용탕 저장부(140), 이송 기판(150), 박판 형성부(160), 표면 가열부(170), 기체 분사부(180) 및 저장부 가열부(190)를 포함한다.
실리콘 원료 투입부(110)는 외부로부터의 실리콘 원료(112)를 공급받아 실리콘 용융용 이중 도가니(120)의 내부로 정해진 양의 실리콘 원료(112)를 공급한다.
실리콘 용융부(120)는 흑연 도가니(122)와 상기 흑연 도가니(122)의 내부에 끼움 결합되는 쿼츠 도가니(124)를 갖는 이중 도가니로 이루어질 수 있다. 상기 흑연 도가니(122)는 바닥부에 출탕구(126)가 형성되고 상측이 개방되는 용기 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 쿼츠 도가니(124)는 상기 흑연 도가니(122)의 형상과 대응되는 형상을 갖고, 상기 흑연 도가니(122)의 내부에 끼움 결합되며, 내부에 실리콘 원료가 장입된다.
도가니 가열부(130)는 히터나 유도코일, 플라즈마, 이빔(E-beam)장치 등으로 이용하여 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕이 형성되도록 실리콘 용융용 이중 도가니(120)를 가열한다. 상기 도가니 가열부(130)는 일예로, 실리콘 용융부(120)의 외벽을 둘러싸는 코일(132)을 구비하며, 이러한 코일(132)을 이용하여 실리콘 원료가 장입된 실리콘 용융부(120)를 가열하게 된다.
이러한 코일(132)은 유도가열 방식, 저항가열 방식 등 다양한 방식으로 실리콘 용융부(120)를 가열할 수 있다. 한편, 실리콘의 경우, 금속과 달리 대략 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 가열이 어렵다. 따라서, 실리콘 원료는 실리콘 용융부(120)의 열에 의한 간접 용융 방식으로 용융될 수 있다. 실리콘 용융부(120)의 외측에 배치되는 흑연 도가니(122)의 재질이 흑연인 경우, 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 높아 전자기 유도에 의해 쉽게 가열이 이루어질 수 있다.
실리콘 용탕 저장부(140)는 실리콘 용융부(120)에서 유도 가열에 의하여 용융된 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 양의 용융물로 출탕한다. 실리콘 용탕 저장부(140)는 하부의 일측에 실리콘 용탕이 토출되는 토출구(142)를 포함한다. 실리콘 용탕은 토출시 냉각되면서 토출되는데, 실질적으로 표면에 용융물이 일부 존재하는 고화된 기판 형태로 토출구 밖으로 배출되고, 이때, 고화된 실리콘 기판의 두께는 일정한 두께를 갖게 된다.
토출구(142)의 높이는 실리콘 박판의 두께를 결정하는 하나의 요소가 될 수 있으며, 대략 0.1 ~ 2 mm 정도로 설계될 수 있다.
또한, 토출구(142)에 인접하여 냉각 장치(미도시)가 별도로 배치될 수 있으며, 이 경우 실리콘 용탕이 냉각된 상태 또는 과 냉각된 상태로 실리콘 용탕 저장부(140)로부터 출탕될 수 있다.
저장부 가열부(190)는 상기 도가니 가열부(130)와 마찬가지로 히터나 유도코일, 플라즈마 이빔 장치들을 이용하여 상기 실리콘 용탕 저장부(140)에 저장된 상기 실리콘 용탕을 가열한다.
상기 저장부 가열부(190)가 히터나 유도 코일일 경우, 상기 실리콘 용탕 저장부의 외측을 둘러싸 유도가열 혹은 저항가열 방식을 이용하여 상기 실리콘 용탕 저장부(140)를 가열하고, 상기 저장부 가열부(190)가 플라즈마 이빔 장치인 경우, 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 상부에 배치되어 상기 실리콘 용탕 저장부(140)에 저장된 실리콘 용탕에 플라즈마 또는 이빔을 직접 조사하여 가열할 수 있다.
상기 실리콘 용탕 저장부(140)내에서 유도 혹은 직접 가열되는 실리콘 용탕의 표면 온도는 도가니에서 토출 전 실리콘 용탕이 굳어 버리지 않고, 토출 후, 이송과정에서 흘러내리지 않고 안전하게 실리콘 용융물을 이송할 수 있는 온도 범위를 유지된다. 바람직하게는 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 온도는 1000 ~ 1600℃을 유지한다.
저장부 가열부(190)는 실리콘 용탕의 표면 온도에 따라 가열 온도를 제어할 수 있다. 이에 따라 종래 실리콘 용탕 저장부(140)내에서의 실리콘 용탕의 응고속도를 제어할 수 있고, 실리콘 결정립 크기를 결정하는 실리콘 핵 생성 밀도의 제어가 가능하여 실리콘 기판의 품질을 향상 시킬 수 있다.
이송 기판(150)은 실리콘 용탕 저장부(140)의 하부에 배치되며, 상기 실리콘 용탕 저장부(140)로부터 출탕되는 실리콘 용융물을 이송한다. 이송 기판(150)은 실리콘 용융물과의 온도차이를 제어하기 위하여 예비 가열부(미도시)에 의하여 예열될 수 있다.
이송 기판(150)은 실리콘과 열팽창계수가 다른 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이송 기판(150)의 열팽창계수가 실리콘과 다를 경우, 실리콘 용융물의 냉각 후 제조되는 실리콘 박판이 이송 기판(150)으로부터 쉽게 분리될 수 있다.
이송 기판(150)의 재질은 금속이나 세라믹이 이용될 수 있으며, 또한, 실리콘카바이트(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4), 그라파이트(Graphite), 알루미늄옥사이드(Al2O3), 몰리브덴(Mo) 등의 물질 그룹 중에서 선택될 수 있다.
또한, 이송 기판의 재질은 실리콘카바이트(SiC), 실리콘나이트라이드(Si3N4)로 코팅된 금속 또는 세라믹을 포함할 수 있다.
실리콘 박판 형성부(160)는 상기 실리콘 용탕 저장부(140)에서 토출되어 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 박판을 형성한다.
표면 가열부(170)는 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 토출구(142)와 인접한 지점에 위치하여 상기 토출구(142)에서 토출된 실리콘 용융물의 표면에 열을 가한다. 이러한 열처리는 실리콘 용융물이 냉각되는 과정 중 주상정(columnar-grained)구조에 따라 발생되는 실리콘 기판 표면의 거칠기를 최소화시켜 실리콘 기판의 품질을 향상시키게 된다.
실리콘 용융물의 표면에 대해 표면 가열부(170)에 의한 가열은 실리콘 용융점 이상의 온도 대략 1400 ~ 2000℃로 가열한다. 이는 실리콘 용융물이 냉각되면서 토출될 때, 추가로 고화된 실리콘 표면을 재용융시켜 표면 거칠기를 최소화 시키기 위함이다.
표면 가열부(170)의 가열 방식은 플라즈마 가열, 유도 가열 및 일반 저항 가열 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하고, 일반 저항 가열시 사용되는 히터의 재질로는 그라파이트(Graphite), 실리콘카바이트(SiC), 텅스텐(Tungsten), 몰리브덴(Mo) 등을 사용할 수 있다.
실시예서는 플라즈마 가열, 유도 가열, 저항 가열방법으로 한정하여 설명하였지만, 이외에도 실리콘 용융물 표면에 가열할 수 있는 방법이면 어느 것이든 가능하다.
한편, 실리콘 용융물의 표면은 거칠기를 더욱 최소화하고 동시에 표면 평탄화에 따른 실리콘 박판 형상이 용이하게 될 수 있도록 상기 실리콘 용융물의 표면에 고압가스를 분사하기 위한 기체 분사부(180)가 배치될 수 있다.
기체 분사부(180)는 상기 표면 가열부와 인접하여 독립적으로 배치되거나, 상기 표면 가열부(170)와 일체형을 이뤄 상기 표면 가열부(170)의 구동과 함께 동작될 수 있다.
또한, 기체 분사부는 실리콘 기판의 평탄화를 더하기 위해 상기 고압가스를 상기 실리콘 용융물 전체 표면에 동일한 압력으로 분사하고, 이때 고압가스는 수소가스, 질소가스, 수소를 혼합한 혼합가스 및 아르곤 가스, 헬륨 가스등과 같은 불활성 가스를 사용한다.
가스 분사 방식은 블로윙(blowing) 방식으로 실리콘 용융물에 분사하여 고화된 실리콘 기판 위에 남아있는 실리콘 용융물을 냉각시킨다. 또한, 가스 분사는 시간적인 순서에 따라 상기 실리콘 용융물에 열처리 후 진행하거나 실리콘 용융물에 열처리함과 동시에 진행할 수 있다.
이송기판(150)의 온도는 실리콘 용탕이 접하는 부분에서 실리콘 용탕이 굳지 않고 유지되고, 상기 이송기판에서 상기 실리콘 용융물이 내리지 않도록 700℃ ~ 1500℃을 가짐이 바람직하다. 도면에 도시되어 있지 않지만, 이송기판(150)은 외부의 히팅장치에 의해 가열되어 상기 온도범위를 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 박판 제조 장치(100)는 게이트 바를 더 포함할 수 있다. 게이트 바는 위치 운동이 가능하도록 설계되어 실리콘 용융용 이중 도가니(121)의 토출구(126)를 개폐하는 역할을 한다. 이 경우, 게이트 바는 상하 및 좌우 방향으로의 위치 운동이 가능하도록 설계될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 없이 제조된 실리콘 기판의 형상을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명에 따른 실리콘 용융물의 표면에 대한 불활성 가스 및 열처리 후 제조된 실리콘 기판 형상을 나타낸 도이다.
도 3을 살펴보면, 불활성 가스 및 열처리없이 제조된 실리콘 기판의 표면형상은 거칠기가 심하여, 이후 폴리싱(Polishing) 공정이 반드시 필요하여 실리콘 박판 제조시 생산효율을 떨어뜨리고, 실리콘 박판의 품질이 떨어진다.
이에 반해, 도 4를 살펴보면, 불활성 가스 및 열처리 후 제조된 실리콘 기판의 표면 거칠기가 줄어들어, 이후 폴리싱 공정이 필요없어 실리콘 박판 제조시 생산효율이 증가됨과 동시에 실리콘 박판의 품질이 향상된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 기판의 제조방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 외부로부터 실리콘 원료가 실리콘 용융부(120)에 공급되면, 히터나 유도코일, 플라즈마, 이빔(E-beam) 등을 통하여 실리콘 용융부(120) 내부의 온도를 높여 상기 실리콘 원료를 용융시킨 후, 상기 실리콘 용융부(120)의 하측에 형성된 출탕구(126)를 통하여 용융된 실리콘을 실리콘 용탕 저장부(140)로 공급한다.
공급된 실리콘 용탕은 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 일측에 형성된 토출구를 통해 박막이 형성되는 위치로 토출된다. 이후, 토출된 실리콘 용탕 표면에 실리콘 용융점 이상의 온도로 가열하고, 불활성 가스를 이용하여 표면을 블로윙 처리하여 실리콘을 응고시킨다. 실리콘 기판 표면에 대한 가열 및 가스 블로윙 처리는 동시에 혹은 순차적으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 방법으로 제작된 실리콘 박판은 실리콘 응고시 표면 열처리 및 가스 블로윙 처리를 통하여 미리 실리콘 박판의 거칠기를 제어할 수 있어 생산효율이 향상된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다른 실리콘 기판 제조장치를 나타낸 도이다.
도 5에 따른 실리콘 기판 제조장치는 도 2의 실리콘 기판 제조장치를 구성하는 구성 요소와 유사함으로, 도 2에 나타난 동일한 구성요소에 대한 구조, 기능 및 작용에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5의 실리콘 기판 장치는 실리콘 용탕 저장부(140)의 토출구(142)에서 토출된 실리콘 기판 위의 잔류 용융물의 표면 처리를 위한 표면 처리수단(200)을 포함하고, 상기 표면 처리수단(200)은 상기 토출구(142)와 인접하여 상기 실리콘 용융물의 이동경로 상에 배치된다.
표면 처리 수단(200)은 상기 실리콘 용탕 저장부(140)에서 토출되어 응고되는 과정 중 평탄한 기판 표면을 갖을 수 있도록 토출된 실리콘 용융물 표면에 물리적인 힘을 가한다. 이때, 실리콘 용융물 표면에 가해진 힘의 압력은 상기 실리콘 용융물 표면 전체에 걸쳐 일정하게 유지된다.
표면 처리 수단(200)의 재질은 실리콘의 용융점보다 높은 용융점을 갖는 재질을 갖을 수 있고, 표면 처리 수단(200)의 일면, 즉, 실리콘 용융물과 맞닿는 면에 대해 기판 표면 처리층이 코팅이나 기타 다른 방법에 의해 접착될 수 있다. 이때 역시 기판 표면 처리층 용융점은 실리콘의 용융점보다 높다.
또한, 표면 처리수단(200)은 도시된 바와 같이, 이송기판(150)에 대해 수직방향으로 이동하여 상기 실리콘 용융물 표면을 가압할 수 있지만, 상기 실리콘 용융물 표면을 가압한 상태에서 상기 이송기판(150)의 길이 방향에 대해 평행한 방향으로 이동하면서 상기 실리콘 용융물의 표면을 가압할 수 있다.
또한, 표면 처리수단(200)은 상기 실리콘 용융물에 일정한 온도로 가열할 수 있도록 내부 또는 인접위치에 히터(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 히터의 가열 온도는 실리콘이 완전히 용융되지 않은 상태에서 가압에 의해 실리콘 기판이 평탄화 될 수 있도록 상기 실리콘 용융점 이하로 상기 실리콘 용융물에 가열한다.
또한, 상기 표면 처리수단(200)에 인접하여 상기 실리콘 용융물 표면을 가열하기 위한 가열수단(미도시)이 추가적으로 배치될 수 있다. 가열수단(210)은 예를 들면, 플라즈마 가열처리와 같이 상기 실리콘 용융물 표면에 열을 가열 할 수 있는 수단이면 모두 가능하다. 또한, 표면 처리수단(220)의 표면은 거칠기나 요철 형상을 갖을 수 있다. 이와 같은 형상을 갖는 상기 표면 처리수단에 의해 실리콘 용융물 표면을 가압하게 되면, 상기 표면 처리수단과 맞닿은 면은 미세한 요철이 형성되고, 실리콘 기판 표면은 태양전지 셀 제조시 반드시 수반되는 표면구조화 공정(Texturing)을 생략할 수 있다.
표면에 거칠기나 요철형상은 상기 표면 처리수단(220)뿐만 아니라 이송기판(150)에도 적용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부를 구체적으로 나타낸 도이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 실리콘 용탕 저장부(140)는 실리콘 용융부로부터 실리콘 용융물을 공급받아 저장될 수 있는 용기 형상으로 이루어지고, 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)에 실리콘 용탕이 외부로 토출되기 위한 토출구(142)가 형성된다.
상기 토출구(142)를 형성하는 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)의 일면은 소정의 각도로 기울어지는데 기울어지는 방향은 상기 실리콘 용탕 저장부(140)에 저장된 실리콘 용탕이 토출될 때, 이송부하를 최소화 시킬 수 있도록 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 측벽 외측 방향으로 기울어진다.
또한, 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)의 일면은 도 6a와 같이 플랫(Flat)한 면일 수 있고, 도 6b와 같이 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)의 아래방향으로 만곡된 형상을 갖을 수 있다.
상기 실리콘 용탕 저장부(140)에 형성된 토출구(142)는 토출되는 용탕의 토출 양이나 압력을 일정하게 유지할 수 있도록 토출구(142)의 수를 복수개로 늘릴 수 있다. 이때, 토출구(142)간의 간격은 일정한 간격을 가짐이 바람직하지만, 실리콘 용탕 저장부(140)의 형상에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 실리콘 용탕 저장부(140)가 직육면체의 용기 형상을 갖을 경우, 일면에서 토출되는 양은 일직선의 동일한 위치에서 시작하여 토출됨으로 토출구(142)간의 간격은 일정하게 유지하는 게 바람직하지만, 실리콘 용탕 저장부(140)가 원통형상의 용기 형상을 갖은 경우, 용탕이 토출되는 면이 곡률을 갖고 있기 때문에 실제 곡률면에서 토출되는 용탕의 양이 동일한 위치에서 시작하여 토출되지 않음으로 이를 보상하기 위하여 복수의 토출구(142) 간의 간격을 조절하거나 토출구(142)의 폭을 조절할 필요가 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치의 실리콘 용탕 저장부의 다른 구조를 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 실리콘 용탕 저장부(140)는 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)에서 상기 토출구(142)의 외측으로 연장된 토출 연장부(143)를 포함할 수 있다.
토출 연장부(143)는 토출구(142)를 통해 토출된 실리콘 용탕의 표면의 거칠기를 최소화 시키기 위한 것으로, 실리콘 용탕 표면과 접하는 토출 연장부(143)의 면은 평평한 형상을 갖는다.
이때, 토출 연장부(143)는 외부 히터 혹은 기타 가열수단에 의해 가열되어, 상기 토출 연장부(143)에 의한 상기 실리콘 용탕 표면에 열을 가하여 거칠기를 더욱 최소화 시킬 수 있다.
또한 도면에 도시되어 있지 않지만, 토출 연장부(143)는 상기 토출구(142)를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 하측부(141)에만 연장되어 배치되어 있지만, 실리콘 용탕 저장부(140) 전체 하측부를 따라 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 일면에 대해 수직한 방향으로 연장 배치될 수 있다.
이는 실리콘 용탕 저장부(140) 전체를 안정시키고, 저장부의 온도분포를 균일하게 하기 위함이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조장치에서, 실리콘 용탕 저장부의 또 다른 구조를 나타낸 도이다.
도 7b에 따른 실리콘 용탕 저장부(140)는, 토출구(142)를 형성하는 실리콘 용탕 저장부의 일측부(141a)의 두께(T1)가 타측부(141b)의 두께(T2)보다 두껍다.
즉, 실리콘 용탕 저장부(140)의 전체형상이 비대칭 형상을 가짐으로써, 도 7a와 달리 별도의 토출 연장부 없이도, 자연스럽게 토출구의 연장효과를 가져와 토출된 실리콘 용탕의 표면 거칠기를 줄일 수 있다.
또한, 최소한 실리콘 용탕 저장부(140)의 일측부 역시 유도가열이나 저항가열 기타 가열할 수 있는 수단이면 어느 가열수단에 의해 가열되고, 이렇게 가열된 상기 실리콘 용탕 저장부(140)의 일측부에 의해 실리콘 용탕 표면에 열을 가하여 거칠기를 더욱 최소화 시킬 수 있다.
이와 같은 실리콘 저장 용탕부(140)를 포함하는 실리콘 기판 제조장치는 실리콘 용탕의 이송부하를 줄일 수 있을 뿐 아니라 실리콘 기판 응고시 표면 거칠기를 줄일 수 있어 생산 수율뿐만 아니라 품질 역시 향상될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 실리콘 기판 장치를 나타낸 도이다.
도 8에 따른 실리콘 기판 제조장치 역시 앞서 설명한 도 2 및 도 5의 실리콘 기판 제조장치를 구성하는 구성 요소와 유사함으로, 도 2 및 도 5에 나타난 동일한 구성요소에 대한 구조, 기능 및 작용에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 8의 실리콘 기판 장치는 실리콘 용탕 저장부(140)의 토출구(142)에서 토출된 실리콘 용융물의 표면에 열을 가열하기 위한 표면 가열부(170)와 상기 표면 가열된 실리콘 용융물 응고 이후 제작된 실리콘 기판의 잔류 응력 및 열응력을 제거하기 위한 어닐링부(220)를 더 포함할 수 있다.
표면 가열부(170)는 실리콘 용탕 저장부(140)의 토출구(142)와 인접한 지점에 배치되어 상기 실리콘 용융물 표면에 실리콘 용융점 이상으로 가열하여 기판 표면을 재용융시켜 거칠기를 제어한다. 이때, 기판의 표면은 가스 블로윙을 통하여 평탄화 될 수 있다.
표면 가열부(170)의 가열 방식은 앞서 설명한 바와 같이, 유도 가열 혹은 일반 저항 가열 방법을 이용하고, 일반 저항 가열시 사용되는 히터의 재질로는 그라파이트(Graphite), 실리콘카바이트(SiC), 텅스텐(Tungsten), 몰리브덴(Mo) 등을 사용할 수 있다.
어닐링부(220)는 이송기판의 이동방향에 따라 배치되고, 응고된 실리콘 기판에 대해 어닐링한다. 이때, 어닐링 온도는 챔버 내에서 응고된 실리콘 기판이 다시 용융되지 않도록 실리콘 용융점 이하인 온도로 어닐링 하고, 바람직하게는 최소한 어닐링 될 수 있도록 600 ~ 1400℃ 의 온도범위에서 진행하도록 한다.
또한, 실리콘 기판의 어닐링은 진공 혹은 H2/Ar, Ar, N2와 같은 불활성 가스의 분위기에서 진행됨이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 기술적 특징에 대해 실시예 별로 나눠 설명하였지만, 실시예 별 기술적 특징은 보다 낳은 생산효율, 표면처리, 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있도록 서로 조합하여 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100: 실리콘 박판 제조 장치 110: 실리콘 원료 투입부
120: 실리콘 용융부 122: 흑연 도가니
124: 쿼츠 도가니 126: 출탕구
130: 도가니 가열부 132: 코일
140: 실리콘 용탕 저장부 142: 출탕구
150: 이송 기판 160: 박판 형성부
120: 실리콘 용융부 122: 흑연 도가니
124: 쿼츠 도가니 126: 출탕구
130: 도가니 가열부 132: 코일
140: 실리콘 용탕 저장부 142: 출탕구
150: 이송 기판 160: 박판 형성부
Claims (9)
- 실리콘 원료가 공급되는 실리콘 원료 투입부;
상기 실리콘 용융부로부터 상기 공급된 실리콘을 용융하여 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부;
상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장하며, 상기 실리콘 용탕을 일정한 양의 용융물로 토출하는 토출구를 갖는 실리콘 용탕 저장부; 및
상기 실리콘 용탕 저장부 하부에 배치되어 상기 실리콘 용융물을 이송하는 이송기판을 포함하고,
상기 토출구를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부의 하측부의 일면은 상기 실리콘 용탕 저장부의 측벽 외측방향으로 소정각도로 경사진 실리콘 기판 제조장치. - 제 1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부는 상기 하측부에서 상기 토출구 외측으로 연장된 토출 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 제 1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부의 하측부의 일면은 플랫하거나 만곡되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 제 2항에 있어서,
상기 토출 연장부는 외부로부터 가열되어 상기 실리콘 용융물이 고화된 기판의 표면 열처리하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 제 1항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부의 외벽을 둘러싸 상기 실리콘 용탕 저장부를 가열하는 실리콘 용탕 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 제 5항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 가열부는 가열 온도조절을 통해 상기 실리콘 용탕의 응고속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 실리콘 용탕을 형성하는 실리콘 용융부;
상기 실리콘 용탕을 공급받아 저장하며, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 토출하는 토출구를 갖는 실리콘 용탕 저장부; 및
상기 실리콘 용탕 저장부 하부에 배치되어 상기 실리콘 용융물을 이송하는 이송기판을 포함하고,
상기 실리콘 용탕 저장부 중 상기 토출구를 형성하는 상기 실리콘 용탕 저장부의 일측부의 두께가 타측부의 두께보다 두껍고, 상기 실리콘 용탕 저장부의 일측부의 일면은 상기 실리콘 용탕 저장부의 측벽 외측방향으로 소정각도로 경사진 실리콘 기판 제조장치. - 제 7항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부는 가열처리되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치. - 제 8항에 있어서,
상기 실리콘 용탕 저장부는 유도가열 혹은 저항 가열되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120114338A KR101394158B1 (ko) | 2012-10-15 | 2012-10-15 | 실리콘 기판 제조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120114338A KR101394158B1 (ko) | 2012-10-15 | 2012-10-15 | 실리콘 기판 제조장치 |
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| KR0177486B1 (ko) * | 1992-08-07 | 1999-04-15 | 후지무라 마사야 | 서멀도너를 소멸시키기 위한 반도체 웨이퍼의 연속 열처리장치 |
-
2012
- 2012-10-15 KR KR1020120114338A patent/KR101394158B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR0177486B1 (ko) * | 1992-08-07 | 1999-04-15 | 후지무라 마사야 | 서멀도너를 소멸시키기 위한 반도체 웨이퍼의 연속 열처리장치 |
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