KR101615343B1 - N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법 및 장치 Download PDF

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KR101615343B1
KR101615343B1 KR1020150004152A KR20150004152A KR101615343B1 KR 101615343 B1 KR101615343 B1 KR 101615343B1 KR 1020150004152 A KR1020150004152 A KR 1020150004152A KR 20150004152 A KR20150004152 A KR 20150004152A KR 101615343 B1 KR101615343 B1 KR 101615343B1
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이충훈
김금수
정재윤
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원광대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 N형 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로 제1 양태에 따른 N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 장치는, 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 용융하기 위한 도가니; 도가니의 주변에서 도가니를 감싸도록 형성된 내부 하우징; 내부 하우징의 둘레에 설치된 개별적으로 동작가능한 복수의 분할식 히터; 내부 하우징을 냉각하기 위한 냉각수단; 및 복수의 분할식 히터의 동작과 도가니 내부 하우징의 이동을 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 제어부는, 분할식 히터의 전체를 이용하여 내부 하우징 내부의 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 1차적으로 용융하는 단계, 내부 하우징을 상기 냉각 수단으로 이동하여 내부 하우징 내부의 실리콘 잉곳을 그 상부로부터 하부로 1차적으로 냉각하는 단계, 냉각된 내부 하우징을 분할식 히터의 내부로 이동하여 내부 하우징 내의 실리콘 잉곳을 하부로부터 상부로 순차적으로 재가열하는 단계를 수행하도록 구성된다.

Description

N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING N­TYPE POLYCRYSTALLINE SILICON INGOT}
본 발명은 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 N형 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 실리콘형 태양전지에 의한 태양광 발전은 무공해, 안정성, 신뢰성 등의 장점으로 인해 시험단계를 지나 상업화 단계에 이르렀다. 이미, 미국, 일본, 독일의 경우에는 실리콘 태양전지를 이용하여 수십 내지 수천 GW 용량의 태양광 발전이 이루어지고 있고 대한민국에서도 수십만 MW의 태양광 발전이 이루어지고 있는 실정이다.
현재 태양광 발전에 이용되고 있는 태양전지는 주로 쵸크랄스키(Czochralski) 인상법에 의해 제조된 단결정 실리콘 박판을 이용하여 제조하고 있으나, 상업적인 대용량 발전을 위해서는 실리콘 박판의 가격을 낮추고 광전변환효율을 더욱 향상시켜야 할 필요가 있다. 이와 같은 배경 아래 태양전지용 실리콘 박판의 원가를 절감시키기 위한 노력의 일환으로 도가니에서 실리콘 덩어리를 용융하고 용융된 주조법이 개발된 바 있다.
이와 같은 주조법에 의한 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳은 제조시 기본적으로 방향성을 갖는 응고를 필요로 한다. 즉, 석영이나 흑연으로 제조된 도가니 속에 다결정 실리콘 알갱이를 투입하여 용융시킨 후 도가니의 하부에서 실리콘의 용해열을 제거시켜 나감으로써 냉각에 따른 응고 과정 역시 도가니 하부에서 상방으로 점진적으로 일어나도록 하여, 일정한 방향성을 가진 이른바, 주상구조(Columnar Structure)의 잉곳을 얻을 수 있다.
도 1은 기존 주조법에 따라 제조된 P형 실리콘 잉곳과 N형 실리콘 잉곳의 도가니의 밑면으로부터의 거리 따른 도펀트의 농도를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 이러한 주조법은 주로 P형 실리콘 잉곳을 제조하는데 사용되었다. P형 실리콘 잉곳의 경우 도펀트로 주로 사용되는 붕소(보론)의 편석 계수가 대략 0.8을 갖기 때문에 도가니 내에서 냉각된 잉곳의 도펀트 농도차이가 많이 발생되지 않는다.
그러나 N형 실리콘 잉곳을 주조법에 의해 주조하는 경우 인(P)을 도펀트로서 주로 사용한다. 그러나 도펀트로 이용되는 인의 경우 낮은 편석 계수로 인해 실리콘 잉곳의 용융후 냉각시 불순물의 이동이 고상측으로부터 액상측으로 활발하게 일어나게 되고 그로 인해 실리콘 잉곳용 도가니에서 고체화가 먼저발생되는 상부측과 고체화가 늦게일어나는 하부측의 불순물 농도가 일정하지 않아 N형 실리콘 잉곳을 제작하기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점에 기반하여 안출된 발명으로서, N형 도펀트의 농도가 실리콘 잉곳의 전체에 거쳐 균일하도록 주조법을 이용하여 N형 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일양태에 따르면, N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치가 제공되고, 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 용융하기 위한 도가니; 상기 도가니의 주변에서 상기 도가니를 감싸도록 형성된 내부 하우징; 상기 내부 하우징의 둘레에 설치된 개별적으로 동작가능한 복수의 분할식 히터; 상기 복수의 분할식 히터의 동작과 도가니 내부 하우징의 이동을 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 제어부는, 상기 분할식 히터 중 도가니의 하부에 위치된 히터로부터 상부에 위치된 히터를 순차적으로 용융 및 냉각시키도록 구성된다.
도가니는 사각형상으로 이루어지고 상기 분할식 히터는 사각형상의 코일 히터인 것이 바람직하고, 분할식 히터는 도가니의 하부로부터 도가니의 상부까지 차례대로 배치된 제1 히터 내지 제n 히터로 구성되고, 도가니의 가열은, 제1 히터 내지 제n 히터를 시간간격을 두고 하나의 히터를 턴온하고 다른 히터는 턴오프하도록 구성된다.
도펀트 재료는 인(P)을 포함하는 재료인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수의 분할식 히터가 도가니의 내부 하우징의 둘레에 형성된 실리콘 잉곳 제조 장치를 이용하여 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법이 제공되고, 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 도가니 내부에 투입하는 단계; 도가니 내부를 불활성 기체로 유지하는 단계; 복수의 분할식 히터 중 도가니의 하부에 위치된 히터로부터 상부에 위치된 히터를 순차적으로 동작시켜 도가니 내부의 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 하부로부터 상부로 용융 및 냉각시키는 단계를 포함한다.
또한 분할식 히터는 도가니의 하부로부터 도가니의 상부까지 차례대로 배치된 제1 히터 내지 제n 히터로 구성되고, 상기 분할식 히터를 이용하여 제1 히터 내지 제n 히터를 시간간격을 두고 하나의 히터를 턴온하고 다른 히터는 턴오프하는 단계를 포함한다.
도펀트 재료는 인(P)을 포함하는 재료이고, 생성된 실리콘 잉곳은 사각 형상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 N형 도펀트의 농도가 실리콘 잉곳의 전체에 거쳐 균일하도록 주조법을 이용하여 N형 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 주조법에 의해 형성되는 P형 실리콘 잉곳과 N형 실리콘 잉곳의 도펀트 분포 밀도를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 3는 본 발명에 따른 N형 다결정 실리콘 잉곳의 제조 장치를 사용하여 실리콘 잉곳을 제조하는 것을 예시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치(100)를 도시한 도면이다. 장치(100)는 다결정질 실리콘을 용융시키고 다결정 실리콘 잉곳을 생성하기 위해 사용된다. 실리콘 잉곳에서 생상된 실리콘 잉곳은 슬라이스 가공 등을 통해 태양광 패널과 같은 광전 장치(photovoltaic devices)를 제조하는데 이용될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같은 실리콘 잉곳 제조 장치(100)는 베이스(106)를 포함한 도가니(102)를 포함한다. 도가니(102)와 베이스(106)는 도가니에 구조적 강성을 추가하는 지지 벽(104)을 구비하는 도가니 지지부(103)에 의해 지지된다.
도가니(102)는 통상적으로 실질적으로 아르곤, 헬륨, 질소와 같은 가스 분위기의 불활성(inert)을 유지하면서 높은 온도를 견딜 수 있는 석영이나 흑연 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수 있으며, 사각형 또는 원통 형상을 가진다. 수광 면적을 충분히 확보하기 위해, 다결정 실리콘 웨이퍼의 주면(主面)은 단결정 실리콘 웨이퍼와 같은 원형이 아니라, 사각형인 것이 바람직하다. 도가니(102)는 도시하지 않았지만 도가니를 밀폐하기 위한 용기의 내부에 설치된다.
상부 커버는(112)는 지지벽(104)의 상부에 연결되어 도가니(102)를 밀폐시키도록 형성되고, 상부 커버(112), 도가니(102), 도가니 지지부(103)는 가열로(100)의 내부 하우징(105)를 형성한다.
내부 하우징(102)의 외부 둘레에는, 구체적으로 지지벽(104)과 상측커버(112)로부터 베이스(106)를 향해 연장된 하측 연장부(112a)의 둘레에는 복수개의 히터(108)가 분할되어 설치된다.
복수개의 분할식 히터(108)는 적절하게는 도가니 내의 충진 물질을 용융물로 용융시키기 위해 필요한 열을 인가하도록 구성된 코일형상의, 사각형 또는 원통형 히터일 수도 있다. 바람직하게 분할식 히터는 도가니의 형상에 대응하여 설치되는 것이 바람직하고 본 실시예에서는 사각형인 것으로 가정한다.
도 2에 도시된 바와 같이 코일형 분할식 히터(108)은 도가니 내부 하우징(105)의 하단으로부터 상단으로 n개의 히터가 설치되고, n개의 히터 각각은 서로에 대해 독립적으로 동작될 수 있으며 소정 간격을 두고 서로 이격되어 설치된다. 또한 복수의 분할식 히터(108) 각각은 제어기(120)를 통해 연결되어 제어기의 제어하에서 하나씩 또는 하나 이상씩 동작될 수 있다.
상기한 실리콘 잉곳 제조장치에서는, 사각 형태의 도가니(102)를 둘러싸는 형태로 배치되는 사각형의 분할식 히터(108)가 사용됨에 따라, 가열 중 도가니(102)의 중심부와 가장자리 간에 온도차가 발생되는 것이 방지된다.
또한 도가니의 내부 하우징(105)의 둘레로 복수개의 분할식 히터(108)가 각각이 형성됨에 따라 하나의 히터로 이루어진 경우 히터의 파손시 히터 전체를 교체해야 하지만, 본 발명에서와 같이 개별적인 분할식 히터로 이루어진 경우 파손된 히터만을 교체할 수 있기 때문에 도가니의 가열로의 유지보수비용이 절감될 수 있다.
또한 베이스(106)의 하단지지판(114)은 도시하지 않은 승강수단에 연결될 수 있으며 하단지지판(114)에 연결된 승강수단에 의해 용융이 끝난 상태의 내부 하우징(105)이 승강이동 가능하게 형성될 수 있다.
도시하지는 않았지만 분할식 히터(108)의 주변으로 절연 및 단열체를 포함한 외부 하우징이 더 설치될 수 있으며, 외부 하우징은 분할식 히터의 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 구조를 가지는 것이 바람직하며, 예컨데 분할식 히터(108)를 내부 하우징(105)을 그 외부로부터 둘러싸는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로 본 발명에 따른 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 가열로 장치(100)를 이용하여 N형 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법을 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 먼저 도가니(102) 내부에 실리콘재료와 N형 도펀트 재료를 투입한다. 실리콘 재료는 원료인 입자상(粒狀) 또는 박스형(塊狀)의 실리콘 재료일 수 있으며, 도펀트 재료는 인을 포함하는 재료이며, 인 그 자체라도 상관없지만, 초크랄스키법에 의해 육성된 인 도프의 실리콘 잉곳을 잘게 부순 실리콘편을 이용하는 것이 바람직하다. 도펀트 재료로서 이러한 실리콘편을 이용하면, 인의 첨가량에 대하여 투입하는 도펀트 재료의 질량이 커지는 점에서, 첨가량을 정밀도 있게 조정하는 것이 가능해진다.
이때 투입되는 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료의 비율은 도 4에 도시한 바와 같이 복수의 히터들에 대응하는 영역 R1~R5별로 일정한 비율로 투입하는 것이 바람직하다.
재료가 투입된 이후, 도가니(102)의 내부를 아르곤, 헬륨, 질소와 같은 가스분위기 상태로 유지한다. 이 불활성 가스 상태가 유지된 상태에서, 제어부는 분할식 히터를 이용하여 도가니의 하부로부터 상부로 실리콘 재료를 용융한다.
즉, 먼저 히터 h1을 구동시켜 도가니의 최하부 영역 R1을 가열한다. 이때 가열 온도는 실리콘 재료가 용용되는 온도 이상이면 바람직하다. 히터 h1을 이용하여 도가니의 최하부 영역 R1을 가열하고 난 후 도가니 내부의 하부에 수용된 실리콘 재료와 N형 도펀트 재료의 용융이 끝나고 나면 제어부(120)는 히터 h2를 이용하여 도가니의 그 다음번 하부 영역 R2을 가열하기전 히터 h1에 의해 가열된 최하부 영역 R1에서의 실리콘 용융액이 소정 온도 이하로 냉각되었는지를 판단하고 소정 온도 이하로 냉각되었다고 판단되면 히터 h2를 이용하여 도가니의 하부 영역 R2를 가열하고, 도가니의 하부 영역 R2에 대한 실리콘 용융이 끝나고 나면 다시 영역 R2의 냉각을 판단하고 R2 영역 내의 실리콘 용융액이 소정 온도 이하로 냉각된 것으로 판단하면 그 다음번 하부 영역 R3의 가열을 시작하며, 이 과정을 R5 영역까지 반복하여 실리콘 잉곳을 완성한다.
여기에 더하여, 실리콘 잉곳의 균일성을 더 높이기 위해, 분할식 히터 h1 내지 h5를 이용하여 영역 R1 내지 R5까지의 도가니 내의 실리콘 재료의 부분별 용융 및 냉각 동작이 완료된 후, 제어부는 승강장치를 이용하여 분할식 히터에 구역별 경계가 배치되도록 이동시킨다. 즉, 히터 h2에는 R1과 R2의 경계를 포함하는 영역이 배치되고, 히터 h3에는 R2과 R3의 경계를 포함하는 영역이 배치치되고, 히터 h4에는 R3과 R4의 경계를 포함하는 영역이 배치되고, 히터 h5에는 R4과 R5의 경계를 포함하는 영역이 배치되고, 다시 하부로부터 상부로의 부분적 용융을 수행하면 도가니 내 실리콘 재료가 용융되지 않는 것이 더 방지될 수 있다.
이와 같은 본원발명에 따르면 분할식 히터를 이용한 실리콘 잉곳을 제조함에 따라서 분할된 가열 영역 내에서 N형 도펀트의 이동이 제한됨에 따라 전체를 한번에 가열하는 것에 비해 N형 도펀트의 농도 변화가 작아지게 된다. 이는 분할된 가열 영역이 작으면 작을수록 도펀트의 농도변화는 더욱 작아지게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 실리콘 잉곳 제조 장치 102: 도가니
104: 지지벽 105: 내부 하우징
106: 도가니 베이스 108: 분할식 히터
112: 도가니 상측 커버 112a: 커버의 하측 연장부
120: 제어부

Claims (10)

  1. N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치에 있어서,
    실리콘 재료와 N형 도펀트 재료가 충전되는 도가니;
    상기 도가니의 주변에서 상기 도가니를 감싸도록 형성된 내부 하우징;
    상기 내부 하우징의 둘레에 설치된 개별적으로 동작가능한 복수의 분할식 히터;
    상기 복수의 분할식 히터의 동작과 도가니 내부 하우징의 이동을 제어하기 위한 제어부를 포함하고,
    상기 도가니는 상기 복수의 분할식 히터에 대응하여 복수의 가열 영역으로 구분되고
    상기 제어부는, 도가니의 복수의 가열 영역 중 하부 가열 영역으로부터 상부 가열 영역으로 가열 및 냉각을 순차적으로 반복하도록 상기 분할식 히터를 구동하고,
    상기 제어부는 복수의 가열 영역의 경계면들이 상기 분할식 히터에 의해 가열되도록 상기 도가니를 이동시키고,
    상기 제어부는 하부의 경계면으로부터 상부의 경계면으로 가열 및 냉각이 순차적으로 반복되도록 상기 분할식 히터를 구동하는 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는 사각형상으로 이루어지고 상기 분할식 히터는 사각형상의 코일 히터인 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트 재료는 인(P)을 포함하는 재료인 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도가니에는 상기 분할식 히터를 이용하여 상기 복수의 가열 영역을 가열하기전 아르곤, 헬륨 또는 질소 중 어느 하나의 가스가 충전되는 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분할식 히터의 가열 온도는 실리콘 재료가 용융되는 온도 이상인 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 재료는 입자상(粒狀) 또는 박스형(塊狀)의 실리콘 재료인 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 실리콘 잉곳 제조 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    실리콘 재료와 N형 도펀트 재료를 도가니에 충전하는 재료 충전 단계;
    상기 도가니에 아르곤, 헬륨 또는 질소 중 어느 하나의 가스, 또는 이들이 조합된 가스로 충전하는 가스 충전 단계;
    상기 도가니를 가열하는 가열 단계를 포함하고,
    도가니는 복수의 가열 영역으로 구분되어 있으며,
    상기 가열 단계는, 상기 복수의 가열 영역 중 하부의 가열 영역을 가열하고 난 후 하부의 가열 영역이 냉각된 후 그 상부의 가열 영역을 가열하고
    상기 가열 단계는 복수의 가열 영역을 가열한 후, 복수의 가열 영역들 사이의 복수의 경계면을 가열하는 단계를 더 포함하고, 상기 복수의 경계면을 가열하는 단계는 하부의 경계면을 먼저 가열하고 난 후 하부의 경계면이 냉각된 후 그 상부의 경계면을 가열하는 것을 특징으로 하는 N형 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법.
  10. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005162507A (ja) * 2003-11-28 2005-06-23 Sharp Corp 多結晶半導体インゴット製造装置、多結晶半導体インゴットの製造方法および多結晶半導体インゴット
JP2009132587A (ja) * 2007-11-30 2009-06-18 Hitachi Cable Ltd 半導体結晶成長方法及び半導体結晶成長装置
JP2013533196A (ja) * 2010-06-16 2013-08-22 セントロターム ジーテック ゲーエムベーハー 多結晶シリコンインゴットの製造方法及び装置

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