KR101483693B1 - 실리콘 기판 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

실리콘 기판 제조 장치가 개시된다.
본 발명의 일 측면에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부, 상기 도가니부의 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부 및 상기 주조부의 일측에서 상기 주조 공간으로 삽입되는 더미바를 포함하고, 상기 더미바의 재질은 단결정 물질일 수 있다.

Description

실리콘 기판 제조 장치{Apparatus for Manufacturing Silicon Substrate}
본 발명은 실리콘 기판 제조 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 연속주조법(Continuous Casting)을 이용하여 태양전지용 실리콘 기판 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 기판은 실리콘을 용융한 후 실리콘 용탕을 응고시켜 단결정 실리콘 잉곳(Ingot) 또는 다결정 실리콘 블록을 제조하고 이를 절단하여 제조된다.
단결정 실리콘 잉곳은 실리콘 용탕으로부터 종자결정을 이용한 결정 성장 공정을 통하여 초크랄스키(Czochralski)법으로 제조된다.
다결정 실리콘 블록은 열교환 공법(HEM; Heat Exchanger Method) 또는 브리드먼-스톡바거 공법(Bridman-Stockbarger Method)을 이용하여 일방향 응고 공정을 통하여 제조된다.
이와 같이 제조된 단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록은 여러 단계의 절단공정을 통해 실리콘 기판으로 제조된다.
단결정 실리콘 잉곳 또는 다결정 실리콘 블록을 절단하는 과정에서 40~50% 정도의 절단 손실(Kerf-loss)이 발생한다. 따라서, 실리콘 기판의 제조 공정 중 발생되는 절단 손실로 인하여 태양전지용 실리콘 기판의 제조단가를 상승시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 잉곳 등의 절단 공정 없이 실리콘 용탕에서 직접 박형의 실리콘 기판을 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재, 태양전지용 실리콘 기판 직접 제조 기술은 수직 성장 기술과 수평 성장 기술로 구분될 수 있다. 대표적인 수직 성장 기술은 EFG(Edge-defined Film-fed Growth), SR(String Ribbon) 등이 있고, 수평 성장 기술은 RGS(Ribbon Growth on Substrate), CDS(Crystallization on Dipped Substrate) 등이 있다.
도 1은 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 수평으로 직접 제조하는 RGS방법에 의해 제조된 실리콘 기판 제조 장치의 개략도와 상기 RGS방법에 의해 제조된 실리콘 기판의 미세구조를 나타내는 도면이다.
RGS방법은 하부기판(1)을 통해 이동하는 실리콘 용탕의 잠열을 급속하게 제거하여 실리콘 기판이 제조된다. 이러한 RGS방법은 다른 실리콘 기판 직접 제조 방법에 비하여 생산성이 높다. 그러나, 이러한 RGS방법에 의해 실리콘 기판을 제조할 경우, 실리콘 기판의 결정 성장 방향은 실리콘 기판이 이동하는 방향과 수직하게 됨으로써, 실리콘 기판의 두께 내에서 결정립이 성장하게 된다.
또한, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 실리콘의 결정 성장 방향은 실리콘 기판이 이동하는 방향과 수직방향을 이루게 되어 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 결정립(Grain)이 조밀하고, 고액 계면을 따라 응고가 진행되기 때문에 불순물이 실리콘 기판 표면으로 편성되는 현상이 발행하게 되어 제조된 태양전지의 변환 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 수직 성장 기술의 경우, 실리콘 기판이 제조되는 방향과 결정 성장 방향이 평행하기 때문에 실리콘 기판의 결정립의 크기가 커서 변환 효율을 높일 수 있다. 그러나, 종래 수직 성장 기술은 실리콘 응고 속도가 매우 느려 생산성 낮은 문제점이 있었다.
종래의 실리콘 기판의 직접 제조 기술은 실리콘 기판의 생산성과 에너지 변환효율이 상충관계(Trade-off)에 놓여 있는 바, 실리콘 기판의 생산성 및 품질을 모두 향상시킬 수 있는 실리콘 기판 제조 기술이 요구되고 있다.
한국등록특허 제 10-1080757 호 일본공개특허 제 1995-256624 호
본 출원은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 기판을 제조하는 과정에서 고액 계면을 실리콘의 결정 성장 방향과 수직하게 하며, 불순물이 실리콘 기판의 표면에 형성되지 않고 실리콘의 결정립의 크기를 크게 제어할 수 있는 실리콘 기판 제조 장치를 제공하고자 한다.
또한, 연속 생산 및 물성 제어가 용이한 연속주조법을 이용하여 변환 효율이 좋은 실리콘 기판 제조와 동시에 생산성을 향상시키는 실리콘 기판 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 도가니부, 상기 도가니부의 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부 및 상기 주조부의 일측에서 상기 주조 공간으로 삽입되는 더미바를 포함하고, 상기 더미바의 재질은 단결정 물질인 실리콘 기판 제조 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단결정 물질은 단결정 실리콘일 수 있다.
또한, 상기 더미바에 체결 가능한 더미바 체결부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 더미바 체결부가 상기 주조부의 길이방향으로 이동 가능하도록 구동부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부, 상기 측면부에 수직 방향으로 연장된 하면부 및 상기 측면부 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부를 가질 수 있다.
또한, 상기 주조부 일측에 배치되고, 상기 더미바 체결부 외측을 감싸며 상기 더미바의 길이 방향을 따라 늘어나거나 줄어드는 차폐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함하고, 상기 제 1 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부, 상기 측면부에 수직방향으로 연장된 하면부 및 상기 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 제 1 토출부를 갖고, 상기 제 2 도가니부는 상기 제 1 도가니부의 내측에 끼움 결합되며, 상기 제 1 도가니부의 상면부의 상면에 대해 예각의 기울기를 갖고 상기 하면부에 연결된 제 2 경사부를 가질 수 있다.
또한, 밀폐된 공간을 제공하는 메인 챔버를 더 포함하고, 상기 도가니부는 상기 메인 챔버 내에 설치되며, 상부를 관통하는 원료 주입구를 갖는 원료 주입부 및 상기 원료 주입구와 소정 간격으로 이격되며 상측을 관통하는 가스 주입구를 갖는 가스 주입부를 포함하고, 상기 메인 챔버 상측에 배치되며 실리콘 원료물질이 저장되는 원료 공급몸체부, 상기 원료 공급몸체부와 상기 원료 주입부를 연결하는 원료 공급관 및 상기 원료 공급관의 개폐를 제어하는 제 1 밸브를 포함하는 연료 공급부 및 상기 비활성 가스를 상기 도가니부 내에 공급하는 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 용탕이 형성되며, 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 토출부를 갖는 도가니부, 상기 도가니부의 토출부와 평행한 방향으로 상기 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부 및 상기 주조부에 일측에서 삽입되는 더미바를 포함하고, 상기 더미바가 주조부의 길이 방향을 따라 이동하는 경우 상기 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고액 계면이 상기 실리콘 기판이 형성되는 방향과 실질적으로 수직이 되도록 더미바의 재질이 단결정일 수 있다.
또한, 상기 더미바에 체결 가능한 더미바 체결부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부 및 상기 측면부 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부를 가질 수 있다.
또한, 상기 주조 공간에서 액상의 실리콘 용탕이 외부의 대기가 접촉하는 것을 방지하도록 상기 더미바 및 상기 더미바 체결부의 외측을 밀폐시키는 차폐부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함하고, 상기 제 1 도가니부는 실리콘 원료가 장입되는 유입부 및 상기 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 제 1 토출부를 갖고, 상기 제 2 도가니부는 상기 제 1 도가니부와 대응되는 형상을 갖고, 상기 제 1 도가니부의 내측에 끼움 결합되고, 상기 제 2 도가니부 내부의 단면적은 하 방향으로 작아질 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 상기 도가니부의 상측을 관통하는 주입구를 갖고, 상기 주입부에 실리콘 원료를 공급하는 원료 공급부 및 상기 주입부에 가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하고, 상기 주입부에 상기 실리콘 원료와 상기 가스가 선택적으로 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 토출부를 갖는 도가니부, 상기 도가니부의 토출부와 평행한 방향으로 상기 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부 및 상기 주조부의 일측에서 상기 주조 공간으로 삽입되는 더미바를 포함하고, 상기 더미바의 끝단은 단결정 물질인 실리콘 기판 제조 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 단결정 물질은 단결정 실리콘일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실리콘 용탕을 수용하는 도가니부, 상기 도가니부에 물리적으로 연결되어 실리콘 기판을 형성하는 주조부 및 상기 주조부에서 실리콘 기판이 형성될 때, 실리콘 기판의 결정립이 일방향으로 배향되도록 단결정 물질을 갖는 더미바를 포함하는 실리콘 기판 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 주조부에서 형성되는 실리콘 기판의 결정립이 배향되는 일방향은 상기 주조부의 길이방향일 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 도가니부를 통하여 주조부에서 실리콘 용탕을 실리콘 기판으로 응고시키기 위하여 하부 기판이 실리콘 용탕의 잠열을 제거하는 방법과 달리, 단결정 더미바를 이용하여 실리콘 기판을 형성함으로써, 실리콘 기판의 결정립의 크기를 보다 크게 할 수 있다.
둘째, 주조부에 삽입되는 단결정 더미바를 이용함으로써, 고액계면과 실리콘 결정립의 성장 방향을 수직하게 되어 실리콘 기판의 결정립의 크기를 보다 크게 할 수 있다.
셋째, 일반적인 실리콘 기판 직접 제조 방법과 달리 주조되는 실리콘 기판을 수평방향으로 당기게 됨으로써, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실리콘 용탕으로부터 실리콘 기판을 수평으로 직접 제조하는 RGS방법에 의해 제조된 실리콘 기판 제조 장치의 개략도와 RGS방법에 의해 제조된 실리콘 기판의 미세구조를 나타내는 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3는 도 2에서 도가니부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 단면도이다.
도 5은 도 4의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 보다 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9은 도 8의 주조부를 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 11는 도 10의 더미바가 이동되는 방향과 실리콘 기판의 결정립을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13의 차폐부가 펼쳐진 모습을 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래 실리콘 기판 제조 장치와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3는 도 2에서 도가니부를 나타내는 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부(200) 및 주조부(300)를 포함한다.
도가니부(200)는 상면부(210), 측면부(250) 및 경사부(241)를 포함한다.
도가니부(200)는 상기 상면부(210), 상기 상면부(210)에서 하 방향으로 연장된 측면부(250) 및 상기 측면부(250) 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부(241)로 몸체를 이룰 수 있다. 또한, 상기 도가니부(200)의 재질은 그라파이트(Graphite)일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 도가니부(200) 내부의 단면적은 하 방향으로 작아질 수 있다.
경사부(241)는 상기 경사부(241)를 마주하는 측면부(250)보다 하방향으로 길이가 길 수 있다. 이에 따라, 후술할 주조부와 결합되어 별도로 도가니부(200)에 실리콘 용탕이 토출되는 홈을 설계할 필요가 없는 이점이 있다.
또한, 상기 경사부(241)는 상기 측면부(250)와 일체로 설계될 수 있고, 별도로 설계될 수 있다.
한편, 도가니부는 도시된 바와 달리, 상면부(210), 상기 상면부(210)에서 하 방향으로 연장된 상기 측면부(250) 및 상기 측면부(250)에서 수직방향으로 연장된 하면부로 몸체를 이룰 수 있다.
또한, 상기 도가니부는 밀폐된 내부 공간을 제공할 수 있다.
또한, 경사부는 상기 측면부(250) 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖고, 하면부에 연결된다.
한편, 상기 도가니부(200)의 내부는 실리콘카바이드(SiC) 또는 실리콘질화물(Si3N4)로 코팅될 수 있다. 이에 따라, 상기 도가니부(200)가 흑연 재질로 이루어진 경우 실리콘 용탕(M)이 도가니부 자체에 의해 흑연으로 오염되는 것을 방지할 수 있다.
주조부(300)는 제 1 주조부(311)와 제 2 주조부(321)를 포함한다.
제 1 주조부(311)는 상기 경사부(241)를 마주하는 측면부(250)에 수직방향으로 연장될 수 있다.
제 2 주조부(321)는 상기 경사부(241)와 결합되며 상기 제 1 주조부(311)와 평행하게 연장될 수 있다.
도시되지 않았지만, 상기 경사부(241)와 상기 제 2 주조부(321)의 결합 방식은 볼트 결합일 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 주조부(321)는 상기 도가니부(201)의 바닥 역할을 수행할 수 있다.
상기 제 1 주조부(311)와 상기 제 2 주조부(321) 사이에 주조 공간이 형성된다.
또한, 상기 제 1 주조부(311)와 상기 제 2 주조부(321)는 상기 도가니부(200)에 저장된 실리콘 용탕(M)이 유입되는 토출부(232)를 형성한다.
또한, 상기 제 1 주조부(311)의 일단부의 상면은 상기 경사부를 마주하는 측면부(250)의 끝단과 접할 수 있다.
이에 따라, 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 토출부(232)를 통하여 상기 주조 공간으로 유입되어 상기 도가니부(200) 내측보다 상기 주조부(300) 내측을 높은 압력으로 가압하는 경우, 제 1 주조부(311)의 일단이 측면부(250)의 외측에 접하는 것과 달리, 주조부 내측에서 실리콘 용탕(M)이 흘려나가는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도시된 바와 달리, 상기 경사부(241)의 끝단은 상기 경사부(241)를 마주하는 측면부(250)의 수직 방향으로 연장된 연장선과 접할 수 있다.
이에 따라, 상기 도가니부(200)에 실리콘 용탕(M)이 연속적으로 저장되지 않는 경우 상기 도가니부(200) 내에 실리콘 용탕(M)이 잔존하는 것을 방지할 수 있다.
상기 실리콘 용탕(M)이 상기 토출부(232)를 통해 이송되어 상기 주조부(300)에 공급된다.
이에 따라, 액상의 실리콘 용탕(M)은 상기 주조부(232)에서 응고되어 실리콘 기판으로 형성될 수 있다.
주조부에 대한 자세한 설명은 이후 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 더미바(400)를 더 포함할 수 있다.
더미바(400)는 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 더미바(400)의 일단에 접촉하게 되어 실리콘 용탕(M)을 응고시키는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도시된 바와 달리, 더미바(400)가 포함되지 않고 실리콘 용탕(M)을 응고시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 상기 도가니부(200)에 실리콘 원료가 장입되어 실리콘 용탕(M)이 형성된 경우 상기 도가니부(200) 내의 실리콘 용탕(M)이 상기 경사부(240)를 따라 상기 토출부(232)에 인접한 상기 도가니부의 하부에 위치하는 실리콘 용탕(M)을 가압할 수 있다.
즉, 경사부가 없는 도가니부에 비하여 경사부가 있는 도가니부(200)는 하부에 실리콘 용탕(M)이 가압되어 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 토출부(232)로 원활히 이동할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부의 경사부(240)을 포함함으로써, 도가니부 내에서 하 방향으로 단면적이 작아지게 되어 실리콘 용탕이 도가니부 하부를 가압할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 단면도이고, 도 5은 도 4의 도가니부의 분해 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 3에서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치와 유사함으로, 동일 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치에 적용되는 도가니부(202)는 제 1 도가니부(203) 및 제 2 도가니부(204)를 포함한다.
제 1 도가니부(203)는 상면부(201) 및 상기 상면부(201)에서 하 방향으로 연장된 상기 측면부(250) 및 상기 측면부(250) 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 제 1 경사부(241)로 몸체를 이룰 수 있다. 한편, 상기 제 1 도가니부(203)는 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니부(200)와 달리, 경사부를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제 1 도가니부(203)의 재질은 흑연일 수 있다.
제 2 도가니부(204)는 상기 제 1 도가니부(203)의 내측에 설치되며, 상기 제 1 경사부에 대응되는 상기 제 2 경사부(245)를 포함할 수 있다.
주조부(300)는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치와 유사하므로, 자세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 제 2 경사부(245)의 끝단은 상기 제 2 경사부(245)를 마주하는 측면부(250)의 수직방향으로 연장된 연장선에 접할 수 있다.
이에 따라, 상기 도가니부(200)에 실리콘 용탕(M)이 연속적으로 저장되지 않는 경우 상기 도가니부(200) 내에 실리콘 용탕(M)이 잔존하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 제 2 도가니부의 제 2 경사부(245)는 마주하는 측면부(250)보다 하 방향으로 길이가 길 수 있다.
상기 제 2 도가니부(204)의 재질은 쿼츠(Quartz)일 수 있다. 다만, 상기 제 2 도가니부의 재질은 쿼츠에 한정되지 않고, 상기 제 1 도가니부(203) 자체에 의해 실리콘 용탕이 오염되는 것을 차단할 수 있는 재질일 수 있다.
한편, 상기 제 1 도가니부(203)는 실리콘카바이드(SiC) 또는 질화실리콘(Si3N4)이 코팅될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 도가니부(204)가 쿼츠 도가니인 경우, 흑연과 쿼츠가 물리적으로 접촉하면 계면에서 SiO 또는 CO 가스가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 제 2 도가니부(203) 내부의 단면적은 하 방향으로 작아질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치에 적용되는 도가니부(202)는 제 1 도가니부(203)가 흑연 도가니인 경우 탄소가 실리콘 용탕(M)을 유입되는 것을 차단하는 제 2 도가니부(204)를 포함함으로써, 실리콘 용탕(M)이 오염되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 달리, 제 1 도가니부가 경사진 내부 구조를 갖고 있지 않더라고 제 2 도가니부가 경사진 내부 구조를 가질 수 있게 되어 실리콘 용탕이 토출부를 통해 원활히 이동할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 메인 챔버(100), 도가니부(200), 원료 공급부(500) 및 가스 공급부(600)를 포함한다.
메인 챔버(100)는 밀폐된 공간을 제공하고, 도시되진 않았지만 일측에서 개폐가 가능하다.
도가니부(200)는 전술한 실시예들 중 어느 하나일 수 있고, 원료 주입부(212) 및 가스 주입부(214)를 더 포함할 수 있다.
원료 주입부(212)는 도 2에 도시된 바와 같이 상측을 관통하는 원료 주입구(211)를 가질 수 있다.
가스 주입부(214)는 상기 원료 주입구와 소정 간격으로 이격되며 상기 도가니부(200) 상측을 관통하는 가스 주입구(213)를 가질 수 있다.
원료 공급부(500)는 원료 공급몸체부(502), 원료 공급관(504) 및 제 1 밸브(506)를 포함할 수 있다.
원료 공급몸체부(502)는 상기 메인 챔버(100) 상측에 배치되며, 실리콘 원료 물질을 저장하고, 상기 원료 공급몸체부(502)의 하면부에서 관통된 배출구를 통하여 일정량의 실리콘 원료 물질이 규칙적으로 배출될 수 있다.
원료 공급관(504)은 상기 원료 공급몸체부(502)의 하부와 상기 도가니부의 원료 주입부(212)와 연결되도록 상기 메인 챔버(100)의 상단을 관통하고, 상기 원료 공급몸체부(502)에서 배출된 실리콘 원료 물질을 상기 도가니부(200) 내부로 공급할 수 있다.
제 1 밸브(506)는 상기 원료 공급몸체부(502)와 상기 원료 공급관(504) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 1 밸브(506)는 상기 메인 챔버(100) 상측에 배치될 수 있고, 이에 따라, 상기 제 1 밸브(506)는 도가니부로부터 멀리 떨어지게 되어 열에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실리콘 원료 물질을 상기 도가니부(200)에 공급하는 경우 상기 제 1 밸브(506)가 개방되고, 후술할 비활성가스를 상기 메인 챔버(100) 상측에서 공급하는 경우 상기 제 1 밸브(506)를 폐쇄하여 상기 원료 공급관(504)을 통하여 상기 원료 공급몸체부(502)로 비활성가스가 역류되는 것을 막을 수 있다.
가스 공급부(600)는 가스 발생부(602), 가스 공급관(604) 및 제 2 밸브(606)를 포함할 수 있다.
가스 발생부(602)는 아르곤(Ar) 등과 같이 흑연과 반응성이 낮은 비활성가스를 발생시키거나, 비활성가스를 저장하는 공간을 제공한다.
가스 공급관(604)은 상기 가스 발생부(602)와 상기 도가니부의 가스 주입부(214)와 연결되도록 상기 메인 챔버(100)의 상단을 관통하고, 상기 가스 발생부(602)에서 비활성가스를 상기 도가니부(200) 내부로 공급할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가스 공급부와 달리, 가스 공급부는 가스 공급관이 포함하지 않을 수 있다.
이에 따라, 가스 발생부(602)에서 상기 메인 챔버(100) 내를 비활성 가스로 가압하고, 가압된 메인 챔버(100)에서 상기 가스 주입부(214)를 통하여 비활성 가스가 공급되어 상기 메인 챔버(100)와 상기 도가니부(200) 전체가 비활성 가스로 가압될 수 있다.
비활성 가스는 도가니부(200) 내부를 가압하여, 도 2에 도시된 토출부(232)를 통하여 실리콘 용탕(M)을 원활히 토출시킬 수 있다.
또한, 실리콘 용탕(M)의 온도가 낮은 경우 실리콘 용탕의 유동성이 떨어지게 되므로 비활성 가스에 의한 가압을 크게 할 필요가 있다.
따라서, 실리콘 용탕의 유동성이 떨어진 경우 원활히 상기 토출부(232)를 통해 토출시키도록 하고 비활성 가스의 높은 압력으로 인하여 실리콘 용탕(M) 내에 기공이 발생하는 것을 방지하도록 비활성 가스로 인한 상기 도가니부(200)의 내부 압력은 1 ~ 5 bar일 수 있다.
제 2 밸브(606)는 상기 가스 발생부(602)와 상기 가스 공급관(604) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제 2 밸브(606)는 상기 메인 챔버(100) 상측에 배치될 수 있다.
비활성 가스를 상기 도가니부(200)에 공급하는 경우 상기 제 1 밸브(506)가 폐쇄되고, 상기 제 2 밸브(606)를 개방한다.
이에 따라, 비활성 가스로 상기 도가니부(200) 내부의 압력을 증가시키는 경우 상기 제 1 밸브(506)를 폐쇄하여 비활성 가스가 원료 공급몸체부(502) 내부를 유입되어 가압되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 상기 원료 공급몸체부(502)가 가압된 비활성가스에 견딜 수 있는 재질 또는 구조를 갖기 위하여 상기 원료 공급몸체부(502)의 제조 비용이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 메인 챔버(100), 보조 챔버(110), 도가니부(200), 원료 공급부(501) 및 가스 공급부(601)를 포함한다.
메인 챔버(100)는 밀폐된 공간을 제공하고, 일측에서 개폐가 가능하다.
보조 챔버(110)는 메인 챔버(100) 상측에 배치되고, 밀폐된 공간을 제공한다.
도가니부(200)는 이미 전술한 실시예들 중 어느 하나와 유사할 수 있다. 다만, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 도가니부(200)는 원료 주입부(212)와 가스 주입부(214)로 별도로 갖지 않고, 하나의 주입부(215)를 통하여 실리콘 원료와 비활성 가스가 주입될 수 있다.
원료 공급부(501)는 원료 공급몸체부(510) 및 공급관(550)을 포함할 수 있다.
원료 공급몸체부(510)는 상기 보조 챔버(110) 내에 설치되고, 원료 저장부(512) 및 원료 이동부(514)를 포함한다.
원료 저장부(512)는 실리콘 원료물질(P)를 저장하는 공간을 제공한다.
원료 이동부(514)는 상기 원료 저장부(512)와 연결되며, 일정량의 실리콘 원료물질(P)을 규칙적으로 이동시킬 수 있도록 한다.
공급관(550)은 상기 원료 이동부(514)의 일단과 인접하고 상기 도가니부의 주입부(215)와 연결된다.
상기 공급관(550)은 제 1 공급관(552)과 제 2 공급관(554)을 포함한다.
상기 제 1 공급관(552)은 상기 원료 공급관(550)의 하부를 형성할 수 있으며, 상기 메인 챔버(100) 내에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 1 공급관(552)의 재질은 흑연일 수 있다. 이에 따라, 상기 원료 공급관(550)이 고온 상태인 상기 챔버(100) 내에서 열에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 2 공급관(554)은 상기 원료 공급관(550)의 상부를 형성할 수 있으며, 상기 보조 챔버(110) 내에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 공급관(554)의 재질은 스테인레스강(Stainless steel)일 수 있다. 다만, 상기 제 2 공급관(554)은 스테인레스강에 한정되지 않고, 상기 보조 챔버(110)내의 열에 견딜 수 있고 내식성이 강한 금속일 수 있다.
또한, 상기 공급관(550)은 상기 제 2 공급관(554)에서 연장되어 상방향으로 단면적이 넓어지는 공급관 상단부(556)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 공급관(550)은 상기 공급관몸체(551)에서 연장되어 상방향으로 단면적이 넓어지는 공급관 상단부(556)를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 원료 이동부(514)에 이동된 실리콘 원료물질(P)를 상기 공급관(550)에 공급하기 용이할 수 있다.
가스 공급부(601)는 상기 보조 챔버(110) 일측에 설치될 수 있고, 비활성 가스를 발생시키거나, 비활성 가스를 저장하는 공간을 제공한다.
또한, 상기 보조 챔버(110)는 상기 가스 공급부(601)에서 비활성 가스가 공급될 수 있도록 일측에 관통되는 홀을 가질 수 있다.
상기 가스 공급부(601)에서 상기 보조 챔버(110) 내에 비활성 가스를 공급하는 경우 상기 비활성 가스는 상기 보조 챔버(110) 내를 가압함과 동시에 상기 공급관(550)을 통하여 상기 도가니부(200)를 가압할 수 있다.
또한, 상기 보조 챔버(110)와 상기 원료 공급부(501)는 상기 비활성 가스에 의한 압력에 견딜 수 있는 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 7에서 설명한 실리콘 기판 제조 장치와 달리, 하나의 공급관(550)을 통하여 상기 도가니부(200)에 실리콘 원료물질과 비활성 가스를 선택적으로 공급할 수 있다.
이와 함께, 하나의 공급관(550)을 통하여 실리콘 원료물질과 비활성 가스를 공급함으로써, 원료 공급관과 가스 공급관이 별도로 설치하는 것보다 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한, 높은 온도에 견딜 수 있는 공급관을 하나로 통합함으로써, 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한, 메인 챔버(100) 전체를 가압하지 않고 보조 챔버(110)만을 가압하여 불필요한 비활성 가스 공급을 줄일 수 있고, 밸브의 개폐가 복잡하지 않아 장치를 운용하기에 용이한 이점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 보다 구체적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 주조부를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부(200), 가열부(610), 주조부(300), 냉각부(640) 및 이송부(670)를 포함한다.
도가니부(200)는 도 2에서 이미 전술하였는바, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
가열부(610)는 상기 도가니부(200)의 외측에 설치될 수 있고, 상기 도가니부(200)를 가열하여 상기 도가니부(200) 내부에 장입된 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕(M)을 형성시킬 수 있다.
또한, 상기 가열부(610)는 상기 도가니부(200)에 직접 실리콘 용탕(M)이 공급되는 경우 상기 실리콘 용탕(M)의 온도를 유지시킬 수 있다.
상기 가열부(610)는 상기 도가니부의 측면부(250)의 외측을 따라 배치되는 제 1 가열부(612) 및 상기 도가니부의 하면부(230)의 외측을 따라 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 1 가열부(612), 상기 제 2 가열부(614) 및 상기 제 3 가열부(260)는 가열기, 유도코일 장치 등을 가질 수 있다.
상기 제 1 가열부(612)와 상기 제 2 가열부(614)는 별도로 제어하여 상기 도가니부(200)내에 실리콘 용탕(M)의 온도 편차를 줄일 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 도가니부(300)내에서 응고되는 것을 방지하고, 상기 실리콘 용탕(M)이 유지되도록 가열하는 비용 상승을 방지하기 위하여 상기 실리콘 용탕(M)의 온도는 1300 ~ 1500 ℃일 수 있다.
주조부(300)는 상기 도가니부의 토출부(232)와 평행한 방향으로 상기 토출부(232)로부터 연장되며, 실리콘 기판(S)이 형성되는 주조 공간을 가질 수 있고, 상기 주조 공간의 상기 실리콘 기판(S)이 응고되는 온도를 제어하는 보조가열부(615)를 포함한다.
상기 주조 공간은 도 9에서 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(S)을 냉각하여 응고하기 위한 응고 영역(S1)과 응고된 실리콘 기판(S)에 남아있는 응력을 해소하기 위한 응력해소 영역(S2)으로 구분될 수 있다.
응고 영역(S1)은 상기 주조부(300)가 상기 토출부(232)와 인접한 부분에서 시작하여 실리콘 기판(S)이 이동하는 방향으로 상기 주조부(300)의 전방부에 존재할 수 있다.
상기 응고 영역(S1)에서는 상기 토출부(232)로부터 공급된 실리콘 용탕(M)이 1차적으로 응고될 수 있다. 한편, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 응고 영역(S1)의 양 끝단에서 직선 거리는 상기 토출부(232)의 양 끝단에서 직선 거리보다 긴 것이 바람직하다.
응력해소 영역(S2)는 상기 응고 영역(S1)에 인접한 부분부터 시작하여 상기 실리콘 기판(S)이 이동하는 방향으로 상기 주조부(300)의 후방부에 존재할 수 있다.
상기 응력해소 영역(S2)에서는 상기 실리콘 기판(S)의 응력을 해소하기 위하거나 응고된 기판이 급격히 냉각되는 것을 방지하기 위하여 상기 실리콘 기판(S)이 2차적으로 열처리될 수 있다.
보조가열부(615)는 제 1 보조가열부(616)와 제 2 보조가열부(617)를 포함할 수 있다.
제 1 보조가열부(616)는 상기 응고 영역(S1)에 대응되는 부분에 설치될 수 있고, 상기 응고 영역(S1)에 존재하는 실리콘 기판(S)을 1차적으로 가열할 수 있다.
제 2 보조가열부(617)는 상기 응력해소 영역(S2)에 대응되는 부분에 설치될 수 있고, 상기 응력해소 영역(S2)에 존재하는 실리콘 기판(S)을 2차적으로 가열할 수 있다.
상기 제 1 보조가열부(616) 또는 상기 제 2 보조가열부(617)는 가열기 또는 유도코일 장치를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 보조가열부(616) 및 제 2 보조가열부(617)는 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 주조부(300) 외측에 설치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 주조부 내부에 설치될 수 있다.
상기 주조부(300)내의 주조 공간에 공급된 실리콘 용탕(M)이 급격히 냉각하거나 1차적으로 응고된 실리콘 기판(S)이 급냉하는 경우 실리콘 기판(S)의 결정립 크기가 필요한 크기보다 작거나 잔류응력이 커지는 것을 방지하기 위하여 제 1 보조가열부(616)에 의한 1차 보조가열온도는 실리콘 용융 온도 이상이고, 제 2 보조가열부(617)에 의한 2차 보조가열온도는 실리콘 용융 온도 이하일 수 있다.
이에 따라, 보조가열부(615)를 통해 실리콘 기판이 응고되는 온도를 제어함으로써, 실리콘 기판의 결정립 크기를 크게 하고, 응력이 남는 것을 방지할 수 있다.
냉각부(640)는 상기 실리콘 기판(S)이 이송되는 방향으로 상기 주조부(300) 후단에 설치될 수 있다. 또한, 상기 냉각부(640)는 상기 주조부(300)에서 주조된 실리콘 기판(S)을 200 ℃ 이하까지 급냉시킬 수 있다.
이송부(670)는 상기 주조부(300)의 후측에 설치되며, 상기 주조부(300)에서 응고된 실리콘 기판(S)을 수평방향으로 이동시킬 수 있다.
이송부(670)는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 이송 롤러(672, 674)를 가질 수 있다.
또한, 상기 이송 롤러(672, 674)에 의해 이송되는 실리콘 기판(S)의 이송 속도는 실리콘의 응고 속도와 일치되는 것이 바람직하다.
이송부(670)의 의해 이송되는 실리콘 기판의 이송 속도는 실리콘 기판의 두께에 영향을 미치므로, 상기 이송 속도는 10 cm/min 이하일 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이고, 도 11는 도 10의 더미바가 이동되는 방향과 실리콘 기판의 결정립을 개략적으로 나타내는 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 2에서 설명한 실리콘 기판 제조 장치와 유사하므로, 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 8에서 설명한 또 다른 실시예와 달리, 더미바(400)를 더 포함할 수 있다.
더미바(400)는 주조부(300)의 주조 공간에서 형성된 실리콘 기판(S)이 이동되어 나오는 일측에서 상기 주조부(300)의 주조 공간에 삽입할 수 있다.
상기 더미바(400)의 재질은 단결정 물질일 수 있다.
또한, 상기 단결정 물질은 단결정 실리콘 또는 단결정 게르마늄일 수 있다.
한편, 상기 더미바(400)의 끝단은 단결정 물질일 수 있다.
즉, 상기 더미바(400)의 재질은 흑연이고, 상기 더미바(400)의 끝단에 단결정 물질이 접합될 수 있다.
또한, 상기 더미바(400)는 상기 주조부(300)의 주조 공간과 대응되는 형상을 가질 수 있다.
상기 더미바(400)를 상기 주조부(300)의 주조 공간에 삽입하고 도가니부(200)에서 형성된 실리콘 용탕(M)이 상기 더미바(400)의 일단과 접촉할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 더미바(400)의 일단에서부터 실리콘 용탕이 면접촉하게 되어 형성되는 실리콘 기판의 결정립의 성장 방향(B)은 상기 더미바의 일단과 실질적으로 수직할 수 있다. 즉, 액체의 실리콘 용탕과 고체의 실리콘 기판의 고액계면은 실리콘의 결정립의 성장 방향과 수직할 수 있다.
또한, 상기 더미바(400)의 재질은 단결정 실리콘인 경우 단결정 실리콘 더미바를 종자결정으로 하여 상기 단결정 실리콘의 결정립 배열과 동일하게 성장하려고 하여 결정립이 커질 수 있다.
즉, 상기 더미바(400)의 재질이 단결정 물질인 경우 상기 더미바(400)가 다결정 물질인 경우보다 단결정 실리콘의 결정립이 일방향으로 배향되어 실리콘 기판의 결정립을 크게 할 수 있다.
또한, 상기 주조부(300)에서 형성되는 실리콘 기판의 결정립이 배향되는 일방향은 상기 주조부의 길이방향일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 단결정 재질을 갖는 더미바를 이용함으로써, 제조된 실리콘 기판은 전술한 종래 기술인 RGS방법에 의한 실리콘의 결정립의 크기보다 클 수 있다.
이에 따라, 에너지 변환 효율이 높은 태양전지를 제조할 수 있다.
한편, 종래 일반적인 실리콘 기판 직접 제조 방법에서 수직 성장 방법은 형성되는 실리콘 기판 자체가 상 방향으로 이동시키게 되어 실리콘 기판 제조 시간이 긴 문제점이 있었다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 기판 자체를 수평방향(A)으로 이동시키면서 실리콘의 결정 성장 방향과 고액 계면을 수직 방향으로 유지하게 함으로써, 종래 일반적인 실리콘 기판 직접 제조 방법에 비하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
즉, 실리콘의 결정립의 크기를 보다 크게 하고, 동시에 실리콘 기판 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도가니부(200)는 상면부(210), 상기 상면부(210)에서 하 방향으로 연장된 측면부(250), 상기 측면부(250)에 수직 방향으로 연장된 하면부 및 상기 측면부(250) 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부(241)를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 도가니부의 경사부(241)를 따라 실리콘 용탕이 주조부(300)의 주조 공간으로 흘려 들어가게 됨으로써, 도가니부의 하면부 또는 주조부의 하면부에 실리콘 기판이 이송되는 구조를 가질 필요가 없이 더미바를 통하여 실리콘 기판을 형성할 수 있다.
또한, 도가니부(202)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 도가니부(203) 및 제 2 경사부(245)를 갖는 제 2 도가니부(204)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 도가니부(203)가 경사부를 포함하지 않더라도 상기 제 2 도가니부(204)가 제 2 경사부(245)를 가짐으로써, 도가니부의 하면부 또는 주조부의 하면부에 실리콘 기판이 이송되는 구조를 가질 필요가 없이 더미바를 통하여 실리콘 기판을 형성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 10에서 설명한 실리콘 기판 제조 장치와 유사하므로, 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부(200), 주조부(302), 더미바(400) 및 냉각부(650)를 포함한다.
도가니부(200)는 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 토출부(232)를 가질 수 있다.
또한, 상기 도가니부(200)는 상면부(210), 상기 상면부(210)에서 하 방향으로 연장된 측면부(250) 및 상기 측면부(250) 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부(241)를 가질 수 있다.
주조부(302)는 상기 도가니부의 토출부(232)와 평행한 방향으로 상기 토출부(232)로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 가질 수 있다.
상기 주조부(302)는 상기 경사부(241)를 마주하는 측면부(250)에 수직 방향으로 연장된 제 1 주조부(315) 및 상기 경사부(241)와 결합되며 상기 제 1 주조부(315)와 평행하게 연장된 제 2 주조부(325)를 포함할 수 있다.
상기 제 1 주조부(315)는 상기 토출부(232)를 기준으로 상기 제 2 주조부(325)보다 길이가 작을 수 있다.
도 10에 도시된 제 1 주조부와 달리, 실리콘 용탕이 실리콘 기판으로 형성되는 영역 중 제 1 주조부(315)가 존재하지 않을 수 있다.
즉, 상기 주조 공간의 상측 일부가 노출될 수 있다.
더미바(400)는 상기 주조부(302)의 일측에서 상기 주조 공간으로 삽입될 수 있다.
냉각부(650)는 상기 주조부의 일측에 설치될 수 있다.
또한, 상기 냉각부(650)는 가스를 블로윙(Blowing)하기 위한 가스 분사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스 분사부는 상기 제 1 주조부(315)가 존재하지 않는 주조 공간을 향하여 가스를 분사할 수 있다.
상기 가스는 비활성 가스일 수 있고, 상기 비활성 가스는 헬륨, 아르곤 및 질소 중 어느 하나 또는 혼합되는 것일 수 있다.
한편, 냉각부는 가스 블로윙하기 위한 가스 분사부에 한정되지 않고, 냉각채널을 갖는 구조도 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 상기 주조 공간에서 실리콘 기판이 형성되는 경우 상기 주조부 상측에서 상기 더미바 또는 상기 실리콘 기판을 냉각시킬 수 있다.
즉, 상기 냉각부(650)는 상기 주조 공간에서 일부 노출된 상기 더미바 또는 상기 실리콘 기판에 가스를 분사하여 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 더미바 체결부 또는 상기 주조부의 끝단에 별도의 냉각장치를 구비할 필요가 없는 이점이 있다.
또한, 수냉식으로 냉각하는 것보다 공냉식으로 냉각함으로써, 냉각에 따른 비용을 절감할 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 도 11의 본 발명의 또 다른 실시예와 달리, 더미바 체결부(700), 이동부(800) 및 차폐부(900)를 더 포함한다.
더미바 체결부(700)는 더미바(400)와 체결될 수 있고, 상기 더미바 체결부(700)의 재질은 흑연일 수 있다.
또한, 상기 더미바 체결부(700)는 더미바와 볼트 결합으로 체결될 수 있다.
또한, 상기 더미바 체결부(700)는 클램프 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 더미바 체결부(700)는 체결몸체부(710), 상기 더미바의 상면과 면접촉 가능한 상부체결부(720)와 상기 상부 체결부와 평행하며, 상기 더미바(400)의 하면과 면접촉 가능한 하부체결부(740)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부체결부(720) 및 상기 하부체결부(740)는 탄성을 가지는 재질로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 상기 상부체결부(720) 및 상기 하부체결부(740)가 상기 더미바(400)와 면접촉하여 결합하는 경우 상기 더미바(400)에 충격을 주는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 상부체결부(720)와 상기 하부체결부(740)는 상하 방향으로 상기 더미바(400)를 가압하며, 상기 더미바 체결부(700)는 상기 더미바(400)와 체결할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 더미바 체결부(700)는 냉각채널을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 더미바 체결부(700) 내의 냉각채널을 통하여 유체가 흐르게 되어 상기 더미바 체결부(700)의 온도를 낮출 수 있게 되어 상기 더미바 체결부(700)와 결합된 더미바(400)의 온도를 낮출 수 있게 된다.
결과적으로, 상기 더미바(400)의 온도가 낮출 수 있게 되어 주조부 내에 실리콘 용탕의 잠열을 제거하여 실리콘 기판을 응고시킬 수 있다.
한편, 상기 더미바 체결부(700) 내에 냉각채널을 가짐으로써, 불필요한 열에 의해 제거하여 주변의 흑연이 실리콘 기판을 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
이동부(800)는 상기 더미바 체결부(700)와 연결되며, 상기 더미바 체결부(700)를 수평방향으로 이동할 수 있게 한다.
상기 이동부(800)는 이동몸체부(810), 이동지지부(820) 및 구동부(840)를 포함한다.
상기 이동몸체부(810)는 상기 더미바 체결부(700)와 연결된다.
상기 이동지지부(820)는 상기 이동몸체부(810)를 지지할 수 있고, 상기 이동지지부(820)는 레일(822)을 가질 수 있다. 또한, 상기 이동몸체부(810)는 도면에 도시되지 않았으나 상기 레일(822)에 대응하는 바퀴를 가질 수 있다.
한편, 상기 이동지지부(820)가 상기 레일(822)을 갖는 것에 한정되지 않고, 상기 이동지지부가 상기 이동몸체부를 이동시킬 수 있는 모든 구조는 적용될 수 있다.
구동부(840)는 상기 이동몸체부(810)에 설치되며, 상기 바퀴에 회전력을 제공한다. 즉, 상기 구동부(840)에 의해 회전할 수 있는 바퀴는 상기 레일(822)을 따라 회전할 수 있다.
따라서, 상기 이동부(800)를 수평방향으로 이동할 수 있게 되어, 상기 더미바 체결부(700)에 체결된 상기 더미바(400)를 상기 주조부(300)에 삽입하거나 상기 더미바(400)를 상기 주조부(300)에서 인출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도 9에서 도시한 한쌍의 롤러를 갖는 이송부와 달리, 더미바 체결부(700)와 이동부(800)를 이용하여 더미바를 당기는 구조를 가짐으로써, 롤러에 의해 주조된 실리콘 기판이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 도가니부(200) 및 주조부(300)를 수용하는 메인 챔버(100)를 더 포함할 수 있다.
차폐부(900)는 상기 메인 챔버(100) 일측에 배치되고, 상기 더미바 체결부(700) 외측을 감싸며 상기 더미바(400)의 길이 방향을 따라 신축 가능할 수 있다.
또한, 상기 차폐부(900)는 도시된 바와 같이 벨로즈 형태일 수 있다.
상기 차폐부(900)의 재질은 스테인레스강(Stainless steel) 또는 알루미늄합금일 수 있다. 스테인레스강은 철과 크롬의 합금강 또는 철, 니켈 및 크롬의 합금강일 수 있다. 다만, 차폐부의 재질은 스테인레스강 또는 알루미늄합금에 한정되지 않고, 상기 주조부(300) 일측의 열에 견딜 수 있고, 내식성이 강한 금속 재질일 수 있다.
상기 차폐부(900)는 신축부(910)와 연결부(920)를 포함할 수 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 신축부(910)는 상기 더미바 체결부(700)가 상기 이동지지부(820) 상에서 수평 방향으로 이동할 수 있는 거리만큼 늘어날 수 있다. 이에 따라, 상기 더미바 체결부(700)가 수평방향으로 이동하는 것에 대응되도록 상기 신축부(910)도 늘어나거나 줄어들 수 있게 되어 상기 신축부(910) 내에 외부의 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 연결부(920)는 상기 메인 챔버(100)와 상기 신축부(910)를 연결시키는 제 1 연결부(922) 및 상기 이동부(800)와 상기 신축부(910)를 연결시키는 제 2 연결부(924)일 수 있다.
상기 제 1 연결부(922) 또는 상기 제 2 연결부(924)는 볼트 결합이 가능하도록 볼트와 대응되는 홈을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 차폐부(900)는 상기 메인 챔버(100) 일측 또는 상기 이동부(800)와 필요에 따라 결합하거나 분리할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 차폐부(900)는 상기 더미바 체결부(700)가 밀폐된 공간에 배치될 수 있도록 한다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 기판 제조 장치는 상기 더미바 체결부(700)의 외측에 차폐부(900)를 설치함으로써, 흑연 재질로 이루어진 상기 더미바 체결부가 대기와 접촉하여 산화되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 메인 챔버
110: 보조 챔버
200: 도가니부
300: 주조부
400: 더미바
500: 원료 공급부
600: 가스 공급부
700: 더미바 체결부
800: 이동부
900: 차폐부

Claims (18)

  1. 도가니부;
    상기 도가니부의 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부; 및
    상기 주조부의 일측에서 상기 주조 공간으로 삽입되는 더미바를 포함하고,
    상기 도가니부는 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함하고,
    상기 제 1 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부, 상기 측면부에 수직방향으로 연장된 하면부 및 상기 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 제 1 토출부를 갖고,
    상기 제 2 도가니부는 상기 제 1 도가니부의 내측에 끼움 결합되며, 상기 제 1 도가니부의 상면부의 상면에 대해 예각의 기울기를 갖고 상기 하면부에 연결된 제 2 경사부를 갖고,
    상기 더미바가 상기 주조부의 길이 방향을 따라 이동하는 경우, 상기 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고액계면이 상기 실리콘 기판이 형성되는 방향과 수직이 되도록 상기 더미바의 재질은 단결정 물질인 실리콘 기판 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 물질은 단결정 실리콘인 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 더미바에 체결 가능한 더미바 체결부를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 더미바 체결부가 상기 주조부의 길이방향으로 이동 가능하도록 구동부를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부, 상기 측면부에 수직 방향으로 연장된 하면부 및 상기 측면부 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 주조부 일측에 배치되고, 상기 더미바 체결부 외측을 감싸며 상기 더미바의 길이 방향을 따라 늘어나거나 줄어드는 차폐부를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    밀폐된 공간을 제공하는 메인 챔버를 더 포함하고,
    상기 도가니부는 상기 메인 챔버 내에 설치되며, 상부를 관통하는 원료 주입구를 갖는 원료 주입부 및 상기 원료 주입구와 소정 간격으로 이격되며 상측을 관통하는 가스 주입구를 갖는 가스 주입부를 포함하고,
    상기 메인 챔버 상측에 배치되며 실리콘 원료물질이 저장되는 원료 공급몸체부, 상기 원료 공급몸체부와 상기 원료 주입부를 연결하는 원료 공급관 및 상기 원료 공급관의 개폐를 제어하는 제 1 밸브를 포함하는 연료 공급부; 및
    비활성 가스를 상기 도가니부 내에 공급하는 가스 공급부
    를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  9. 실리콘 용탕이 형성되며, 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 토출부를 갖는 도가니부;
    상기 도가니부의 토출부와 평행한 방향으로 상기 토출부로부터 연장되며, 실리콘 기판이 형성되는 주조 공간을 갖는 주조부; 및
    상기 주조부에 일측에서 삽입되는 더미바를 포함하고,
    상기 도가니부는 제 1 도가니부와 제 2 도가니부를 포함하고,
    상기 제 1 도가니부는 실리콘 원료가 장입되는 유입부 및 상기 하면부와 평행한 방향으로 일측에 관통된 제 1 토출부를 갖고,
    상기 제 2 도가니부는 상기 제 1 도가니부와 대응되는 형상을 갖고, 상기 제 1 도가니부의 내측에 끼움 결합되고,
    상기 제 2 도가니부 내부의 단면적은 하 방향으로 작아지고,
    상기 더미바가 상기 주조부의 길이 방향을 따라 이동하는 경우, 상기 실리콘 기판 형성 과정 중에 생성되는 고액 계면이 상기 실리콘 기판이 형성되는 방향과 수직이 되도록 상기 더미바의 재질이 단결정인 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 더미바에 체결 가능한 더미바 체결부를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 도가니부는 상면부, 상기 상면부에서 하 방향으로 연장된 측면부 및 상기 측면부 중 어느 하나의 일면에 대해 예각의 기울기를 갖는 경사부를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 주조 공간에서 액상의 실리콘 용탕이 외부의 대기가 접촉하는 것을 방지하도록 상기 더미바 및 상기 더미바 체결부의 외측을 밀폐시키는 차폐부를 더 포함하는 실리콘 기판 제조 장치.
  13. 삭제
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 도가니부는 상기 도가니부의 상측을 관통하는 주입구를 갖고,
    상기 주입구에 실리콘 원료를 공급하는 원료 공급부; 및
    상기 주입구에 가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하고,
    상기 주입구에 상기 실리콘 원료와 상기 가스가 선택적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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