KR101656596B1 - 다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼 - Google Patents

다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼 Download PDF

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Abstract

본원은 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법은 도가니 저부에 실리콘 물질 핵 형성층을 공급하고, 실리콘 물질 핵 형성층 상에 실리콘 재료를 충전하는 단계; 실리콘 재료를 가열하여 용융시키고, 도가니 내부의 핫존을 조절하여, 용융된 실리콘 재료로부터 실리콘 물질 핵 형성층을 기초로 결정화를 시작하는 단계; 및 모든 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계를 포함한다. 본 제조 방법을 이용함으로써, 다결정 실리콘 잉곳이 양호한 초기 핵 형성을 갖도록 하고, 다결정 실리콘 잉곳이 성장하는 동안 전위가 증가하는 것을 감소시킨다. 또한, 본원은 상기 제조 방법을 통해 수득되는 다결정 실리콘 잉곳 및 다결정 실리콘 잉곳을 원료로 하여 수득되는 다결정 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.

Description

다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼{POLYCRYSTALLINE SILICON INGOT, PREPARATION METHOD THEREOF, AND POLYCRYSTALLINE SILICON WAFER}
관련 출원에 대한 교차 출원
본원은 "다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼"라는 명칭으로 2012년 4월 1일자 중국 전리국에 출원된 중국특허출원 제201210096232.2호, 및 "다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼"라는 명칭으로 2012년 4월 1일자 중국 전리국에 출원된 중국특허출원 제201210096188.5호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 전체 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다. 본원은 "다결정 실리콘 잉곳 및 이의 제조 방법, 다결정 실리콘 웨이퍼 및 결정질 실리콘 잉곳의 주조용 도가니"라는 명칭으로 2012년 4월 1일자 중국 전리국에 출원된 중국특허출원 제201210096291.X호, 및 "다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼"라는 명칭으로 2013년 1월 29일자 중국 전리국에 출원된 중국특허출원 제201310033073.6호에 대한 우선권을 주장하며, 상기 출원들의 일부 내용은 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
기술분야
본 발명은 반도체 제조 분야, 특히, 다결정 실리콘 잉곳, 이의 제조 방법 및 다결정 실리콘 웨이퍼에 관한 것이다.
근대 태양 에너지는 신흥의 재생가능한 녹색 에너지원으로서 개발의 주된 주제가 되고 있다. 태양 에너지 전지 산업의 급속한 발전과 함께, 비용이 저렴하고 대규모 제조에 적합한 다결정 실리콘이 당업계에서 가장 중요한 선도적인 광발전 재료 중 하나가 되었고, 아울러 전통적인 초크랄스키(Czochralski) 단결정 실리콘이 태양 에너지 전지 재료 시장에서 갖고 있던 주도적 위치를 서서히 대체하고 있다.
현재, 다결정 실리콘 잉곳의 제조는 주로 지티 솔라 캄파니(GT Solar Company)가 제공하는 방향성 응고 시스템(directional solidification system, DSS로 지칭됨) 방법의 결정 성장로 기술을 채택한다. 상기 방법은 일반적으로 가열, 용융, 응고 및 결정 성장, 어닐링 및 냉각 등의 단계를 포함한다. 응고 및 결정 성장의 공정에서, 도가니 저부에서의 연속적 냉각에 수반하여 용융 상태의 실리콘 재료는 자발적으로 무작위 핵을 형성하고, 형성된 무작위 핵은 서서히 성장한다. 그러나, 초기 핵 형성이 조절되지 않았기 때문에, 핵 형성 공정 중에 전위(dislocation)가 발생하기 쉽고, 이는 무질서한 결정 배향 및 불균일한 결정 입자를 야기한다. 따라서, 상기 방법에 의해 수득된 다결정 실리콘 잉곳은 품질이 비교적 떨어진다. 이러한 다결정 실리콘 잉곳에 의해 제조된 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율은 낮다. 따라서, 전위밀도가 낮고 결함이 적은 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여, 양호한 초기 핵 형성을 효율적으로 수득할 수 있는 다결정 실리콘 잉곳 주조 방법을 제공하는 것이 매우 중요하다.
상기 언급된 기술적 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 제조 방법은 다결정 실리콘 잉곳이 양호한 초기 핵을 가질 수 있도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳의 성장 동안 야기되는 전위를 감소시키고 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 수득한다. 또한, 본 발명은 이러한 제조 방법을 통해 수득되는 고품질의 다결정 실리콘 잉곳, 및 상기 다결정 실리콘 잉곳을 원료로서 사용함으로써 수득되는 다결정 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
제 1 측면에서, 본 발명은
도가니의 저부에 실리콘 물질 핵 형성원(nucleating source) 층을 제공하고, 실리콘 물질 핵 형성원 층의 상에 실리콘 재료를 충전하는 단계;
가열에 의해 실리콘 재료를 용융시키고, 도가니 내의 핫존을 조절하여, 실리콘 물질 핵 형성원 층을 기초로 하여 용융된 실리콘 재료로부터 결정을 성장시키는 단계;
모든 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함하는 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법을 제공한다.
"실리콘 물질의 핵 형성원 층"이라는 용어는 실리콘 물질로 형성되는 핵 형성원 층을 지칭한다. 본원에서 사용되는 "실리콘"은 당업계에서 잉곳의 주조용으로 통상적으로 사용되는 원료이다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에 있어서, 고체 실리콘 상에서의 용융 실리콘의 핵 형성은 균일 핵 형성이고, 균일 핵 형성은 석영 또는 세라믹 등 재료의 도가니에서의 불균일 핵 형성보다 훨씬 작은 구동력을 요구하며, 고체 실리콘 상에 다중 균일-분포 핵 형성원을 형성할 수 있으므로, 다결정 실리콘 잉곳이 양호한 초기 핵 형성을 갖게 하여, 우세한 결정 배향을 갖는 결정체로 성장하게 한다. 또한, 고체 실리콘은 우수한 열 전도성을 갖고 있어, 용융 실리콘이 핵 형성 동안 더 큰 구동력을 얻게하여, 초기 핵 형성의 조절을 촉진하고 우세한 결정 배향을 가진 결정 입자를 성장시킨다.
바람직하게는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은
실리콘 니트라이드층으로 도가니의 내벽을 코팅한 후, 도가니의 저부부터 상부까지 실리콘 재료를 충전하는 단계;
가열에 의해 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시켜 용융 실리콘을 형성하고, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면이 도가니 저부에 근접할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 완전히 용융되지 않은 실리콘 재료를 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함하되, 상기 완전히 용융되지 않은 실리콘 재료는 실리콘 물질 핵 형성원 층이다.
여기서, 도가니의 내벽에 공급된 실리콘 니트라이드층은 도가니의 내벽에 함유된 불순물이 결정 내로 들어가는 것을 효율적으로 방지할 수 있고, 다결정 실리콘 잉곳이 눌어붙는 현상을 방지하므로, 다결정 실리콘 잉곳의 품질을 개선하고 주조 공정의 조작 난이도를 감소시킨다.
실리콘 재료가 완전히 용융되지 않은 경우, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 아직 용융되지 않은 실리콘을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 실리콘 재료와 도가니 저부 사이에 열 전도체층을 위치시킨다.
바람직하게는, 열 전도체는 실리콘 덩어리 또는 그래파이트 덩어리이다.
바람직하게는, 실리콘 덩어리는 단결정 실리콘 덩어리, 다결정 실리콘 덩어리 및 비결정 실리콘 덩어리의 하나 이상이다.
바람직하게는, 열 전도체층의 두께는 1 내지 2cm 범위이다.
실리콘 덩어리 및 그래파이트 덩어리는 모두 우수한 열 전도성을 갖고 있어, 용융 실리콘이 핵을 형성할 때 핵 형성이 더 큰 구동력을 갖게 하여, 핵 형성 과정에서 우세한 결정 배향을 가진 결정 인자가 성장되도록 촉진한다.
바람직하게는, 실리콘의 용융 공정 동안, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
구체적으로는, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측한다.
바람직하게는, 실리콘의 용융 공정의 전반 단계에서, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.5 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정의 후반 단계에서, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 0.5시간 간격으로 탐측한다.
용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면이 도가니 저부에 근접하는 것으로 검측될 때, 핫존을 조절하기 시작하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 아직 완전히 용융되지 않은 실리콘을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시키도록 한다.
바람직하게는, 핫존 조절의 조작은 발열량을 조절하여 온도를 낮추는 것으로, 낮아지는 온도의 폭은 2 내지 500K/분이다.
구체적으로는, 가열 장치의 발열량을 감소시키거나 가열 장치의 전원을 끄거나, 또는 열량 방열 장치를 열어, 실리콘 잉곳이 성장하는 핫존이 과냉각 상태에 도달하도록 하여, 과냉각 상태에서 핵을 형성하고 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은
실리콘 니트라이드층으로 도가니의 내벽을 코팅한 후, 도가니의 저부부터 상부까지 실리콘 재료를 충전하되, 상기 실리콘 재료를 충전할 때, 사전에 도가니의 저부에 파쇄된 실리콘 재료의 층을 배치하고, 상기 파쇄된 실리콘 재료는 파쇄된 단결정 실리콘 재료, 파쇄된 다결정 실리콘 재료 및 파쇄된 무정형 실리콘 재료 중의 하나 이상인 단계;
가열에 의해 도가니 내의 실리콘 재료를 용융시켜 용융 실리콘을 형성하되, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면이 파쇄된 실리콘 재료층에 또는 파쇄된 실리콘 층의 깊숙이에 위치할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 불완전 용융된 실리콘 재료를 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함한다.
파쇄된 실리콘 층은 실리콘 물질 핵 형성원 층이다. 파쇄된 실리콘 재료는 무작위 순서로 도가니 저부에 놓여지고, 파쇄된 재료 층은 다수의 구멍을 갖는 지지 구조를 형성한다. 실리콘 재료의 용융 공정에서, 실리콘 재료가 용융하여 형성된 용융 실리콘은 구멍을 채우게되고, 핵 형성의 전반 단계에서, 과냉각 상태 하에서, 파쇄된 실리콘 재료 층 상에서 다중 균일-분포 핵 형성원을 형성하며, 이에 따라 다결정 실리콘 잉곳이 양호한 초기 핵 형성을 얻어 우세한 결정 배향으로 결정을 성장시킨다. 구체적으로는, 온도를 제어하여 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면에 위치한 용융 실리콘 및 구멍 내를 채운 용융 실리콘이 먼저 과냉각 상태에 도달하도록 하고, 우선적으로 핵을 형성하고 결정화시킨다. 그에 따라, 용융 실리콘의 계면은 도가니 저부로부터 멀리 이동하고, 용융 실리콘은 결정화하고 응고된다. 다결정 실리콘 잉곳의 초기 핵 형성을 잘 제어하면, 유익한 결정 배향이 주도적이 되는 결정을 성장시키고, 이에 따라 전위의 대량 증가를 방지하여 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 수득하게 된다.
바람직하게는, 파쇄된 실리콘 재료의 크기가 0.1μm 내지 10cm 범위, 더 바람직하게는 파쇄된 실리콘 재료의 크기가 0.1cm 내지 10cm 범위이다.
여기서, 0.1μm 내지 10μm의 크기를 갖는 파쇄된 실리콘 재료는 미세 분말이다.
바람직하게는, 파쇄된 실리콘 재료가 배치되는 두께가 0.5cm 내지 5cm 범위이다.
파쇄된 실리콘 재료의 두께가 너무 얇으면 배치하기가 쉽지 않고, 제어하기 어렵다. 또한, 파쇄된 실리콘 재료의 두께가 너무 얇으면 완전한 지지 구조의 형성에 불리하고, 이어지는 핵 형성 및 결정화 과정에도 불리하다.
바람직하게는, 도가니의 내벽에 실리콘 니트라이드층을 미리 배치한다. 실리콘 니트라이드층을 배치하면, 도가니 내벽의 불순물이 결정 내로 들어가는 것을 효과적으로 방지할 수 있고, 다결정 실리콘 잉곳이 눌러붙는 현상을 방지하므로, 다결정 실리콘 잉곳의 품질을 개선하고 주조 공정의 조작 난이도를 감소시킨다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정 동안, 실리콘 재료가 용융하여 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
구체적으로는, 실리콘 재료가 용융하여 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측한다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정의 전반 단계에서, 실리콘 재료가 용융하여 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.5 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정의 후반 단계에서, 실리콘 재료가 용융하여 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 0.5시간 간격으로 탐측한다.
용융 실리콘 재료가 용융하여 형성된 고액 계면이 파쇄된 실리콘 재료 층에 또는 파쇄된 실리콘 재료 층 깊숙이에 위치하는 것으로 검측될 때, 핫존을 조절하기 시작하여 과냉각 상태에 도달하도록 함으로써, 파쇄된 실리콘 재료 층을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 핫존 조절의 조적은 발열량을 조절하여 온도를 잡추는 것으로, 낮아지는 온도의 폭은 2 내지 500K/분이다.
구체적으로는, 가열 장치의 발열량을 감소시키거나 가열 장치의 전원을 끄거나, 또는 방열 장치를 열어, 실리콘 잉곳이 성장하는 핫존이 과냉각 상태에 도달하도록 하고, 이러한 과냉각 상태에서 핵을 형성, 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은
(1) 도가니 저부에 핵 형성원을 제공하여 핵 형성원층을 형성하는 단계로서, 상기 핵 형성원은 실리콘 분말인 단계;
(2) 핵 형성원층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 제공하는 단계로서, 상기 핵 형성원 층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 핵 형성원층 상에 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 가열하여 실리콘 재료를 용융시키고, 이때 용융 상태의 실리콘 재료를 핵 형성원 층의 표면에 위치시키거나; 또는 고체 실리콘 재료를 또다른 도가니에서 가열하여 용융 상태의 실리콘 재료를 제조하고, 상기 용융 상태의 실리콘 재료를 핵 형성원층을 갖는 도가니에 붓고, 이때 용융 상태의 실리콘 재료를 핵 형성원 층의 표면에 위치시키는 것인 단계;
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니의 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 핵 형성 및 결정화를 이용하도록 하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함한다.
바람직하게는, 실리콘 분말을 도포에 의해 도가니 저부에 배치하거나, 또는 실리콘 분말을 직접 도가니 저부에 배치할 수 있다.
바람직하게는, 실리콘 분말의 입자 크기는 0.1μm 내지 1cm 범위이다.
단계 (3)에서, 도가니 내의 핫존을 제어하는 것은 용융 상태의 실리콘 재료를 냉각하여 과냉각 상태에 도달하게 한 후, 핵을 형성하고 결정화한다. 이때, 다량의 실리콘 분말 핵 형성원의 존재는 용융 상태의 실리콘 재료가 신속하게 핵을 형성하는 데에 유리하다.
바람직하게는, 핵 형성 및 결정화 과정에서, 과냉도가 -30 내지 -1K의 범위로 제어된다. 과냉도가 낮으면, 열 방출이 비교적 늦고, 이때 (111) 면이 충분히 발달하지만, 과냉도가 높으면, (110) 및 (112) 방향으로의 성장이 빠르기 때문에 발열성이 좋다. 높은 과냉도는 (110) 및 (112)가 우세한 결정 배향을 형성하는 데에 유리하다. 또한, 결정립계(grain boundary)는 원자 칼날전위 영역이기 때문에, 전위가 결정립계 쪽으로 이동하여 흡수된다. 적절한 양의 결정립계는 전위의 증가 및 확장을 방지할 수 있으므로, 실리콘 잉곳의 전체 전위를 감소시키고 결정 실리콘의 변환 효율을 개선한다.
바람직하게는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은
(1) 도가니 저부에 미정질 핵 형성층을 배치하는 단계로서, 미정질 핵 형성층은 미정질 실리콘 및/또는 무정형 실리콘이고, 상기 미정질 핵 형성층의 두께는 제 1 높이이며, 상기 미정질 핵 형성층은 실리콘 물질 핵 형성원 층인 단계;
(2) 미정질 핵 형성층 상에 실리콘 재료를 충전하고, 가열에 의해 실리콘 재료를 용융시켜 용융 실리콘을 형성하며, 실리콘 재료가 완전히 용융된 후에 형성된 고액 계면이 미정질 핵 형성층에 또는 미정질 핵 형성층의 깊숙이에 위치할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 핵 형성층을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
(3) 모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함한다.
단계 (1)은 도가니 저부에 실리콘 물질 핵 형성원 층을 제공한다. 실리콘 물질 핵 형성원 층의 재료는 실리콘 잉곳의 성장을 위한 미정질 핵 재료인 미정질 실리콘 및/또는 무저형 실리콘이다.
미정질 실리콘 및 무정형 실리콘의 제공 방식은 임의의 방식으로, 인위적으로 배치할 필요가 없다. 미정질 실리콘 및 무정형 실리콘의 크기는 제한이 없다. 또한, 미정질 실리콘 및 무정형 실리콘의 공급원 및 형태에도 제한이 없다. 미정질 실리콘 및 무정형 실리콘의 순도는 3N 이상이어야 한다.
바람직하게는, 미정질 실리콘 및/또는 무정형 실리콘은 막대, 덩어리, 조각, 스트립 또는 과립의 형태이다.
바람직하게는, 무정형 실리콘은 지멘스(Siemens)법, 개선된 지멘스법 또는 유동층(fluidized-bed)법에 의해 제조된다.
실리콘 물질 핵 형성원 층의 두께는 제 1 높이이고, 이는 필요에 따라 결정될 수 있다. 바람직하게는, 제 1 높이는 1 내지 150mm 범위이다. 더 바람직하게는, 제 1 높이는 5 내지 150mm 범위이다. 좀 더 바람직하게는, 제 1 높이는 5 내지 30mm 범위이다.
도가니는 다결정 실리콘 잉곳이 성장하는 용기를 지칭한다. 상기 도가니의 형태 및 종류는 제한이 없다.
단계 (2)는 실리콘 물질 핵 형성원 층 상에 실리콘 재료를 충전하고, 가열에 의해 실리콘 재료를 용융시켜 용융 실리콘을 형성하며, 실리콘 재료가 완전히 용융하여 형성된 고액 계면이 실리콘 물질 핵 형성원 층에 또는 실리콘 물질 핵 형성원 층의 깊숙이에 위치하는 경우, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 실리콘 물질 핵 형성원 층을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 실리콘 물질 핵 형성원 층이 미정질 실리콘, 무정형 실리콘 또는 이의 조합인 경우에, 실리콘 재료가 완전히 용융하여 형성된 고액 계면이 실리콘 물질 핵 형성원 층의 내부 깊숙이에 위치하고 도가니 저부로부터 1mm 이상 떨어져 있는 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 실리콘 및/또는 무정형 실리콘을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시킨다.
더욱 바람직하게는, 실리콘 물질 핵 형성원 층이 미정질 실리콘, 무정형 실리콘 또는 이의 조합인 경우에, 실리콘 재료가 완전히 용융하여 형성된 고액 계면이 실리콘 물질 핵 형성원 층의 내부 깊숙이에 위치하고 도가니 저부로부터 5mm 이상 떨어져 있는 경우, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 실리콘 및/또는 무정형 실리콘을 기초로 하여 용융 실리콘으로부터 결정을 성장시킨다.
여기서 "실리콘 물질 핵 형성원 층에 위치한다"는 표현은, 용융된 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면과 도가니의 저부 사이의 거리가 제 1 높이와 동일한 것을 의미한다.
일반적으로, 실리콘은 1500 내지 1560℃에서 용융된다. 따라서, 실리콘 물질 핵 형성원 층이 미정질 실리콘 또는 무정형 실리콘인 경우, 잉곳 주조 공정동안에도 용융될 것이므로, 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 탐측할 필요가 있다. 실리콘 재료가 막 완전히 용융된 때 또는 실리콘 물질 핵 형성원 층이 부분적으로 용융되었지만 아직 완전히 용융되지 않은 때에, 핫존을 조절하기 시작하여 핵을 형성하고 결정을 성장시킨다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정 동안, 용융 실리콘이 용융되어 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
구체적으로는, 용융 실리콘이 용융되어 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측한.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정의 전반 단계에서, 용융 실리콘이 용융되어 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.5 내지 1시간 간격으로 탐측한다.
바람직하게는, 실리콘 재료의 용융 공정의 후반 단계에서, 용융 실리콘이 용융되어 형성된 고액 계면의 위치를 매 0.2 내지 0.5시간 간격으로 탐측한다.
바람직하게는, 핫존 조절의 조작은 발열량을 조절하여 온도를 낮추는 것으로, 낮아지는 온도의 폭은 2 내지 30K/분이다.
구체적으로는, 가열 장치의 발열량을 감소시키거나 가열 장치의 전원을 끄거나, 또는 방열 장치를 열어, 실리콘 잉곳이 성장하는 핫존에서 과냉각 상태에 도달하고, 과냉각 상태에서, 미정질 핵을 기초로 하여 결정을 성장시키고, 결정 성장 과정에서 도가니 내부의 온도를 제어하여 도가니의 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성한다.
미정질 재료 또는 무정형 재료는 일정한 단거리 질서 배열을 갖고 있기 때문에, 매 단거리 질서 배열의 범위 내는 모두 작은 미정질에 상당하며, 결정 성장의 미정질 핵으로서 사용될 수 있다. 실리콘 재료가 용융된 때, 용융 실리콘은 실리콘 물질 핵 형성원 층의 미정질 재료 또는 무정형 재료와 접촉하고, 온도가 추가로 낮아진 때, 용융 실리콘은 미정질 재료 또는 무정형 재료 상에서 성장한다. 미정질 재료 또는 무정형 재료 중 미정질 또는 미정질에 근접한 대량의 미정질 핵이 존재하므로, 이러한 미정질 핵 형성의 영향 하에서, 대량의 미세 결정립이 용융 실리콘으로부터 성장한다. 이어지는 적자 생존의 성장을 거쳐, 결정립이 미세하고 균일하며 전위밀도가 낮은 결정이 수득된다.
단계 (3)은 모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득한다.
다결정 실리콘 잉곳은 미정질 핵을 이용하여 대량의 미세 결정립이 성장한 것이기 때문에, 이러한 미세 결정립은 "네킹(necking)"과 유사한 효과를 나타내어, 결정립계를 통과해 전위를 제거한다. 또한, 우세한 결정 배향에 기초하여, 이후의 "적자 생존"을 거쳐, 나아가 유익한 결정 배향이 주도적인 결정을 성장시키고, 이에 의해 전위가 대량으로 증가하는 것을 방지해 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 수득한다.
도가니 저부에 놓인 실리콘 물질 핵 형성원 층을 위치시켜 균일하게 분포된 미세 핵 형성 지점을 제공하므로, 결정립이 더 미세하고 결정립 크기가 더 균일한 결정을 얻을 수 있는데, 결정은 결함이 더 적고 천천히 증가 및 확장하여 광전 변환 효율이 더 높다.
바람직하게는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은
(1) 도가니 저부에 시드 결정을 무작위로 배치하고 시드 결정층을 형성하는 단계로서, 시드 결정의 결정 배향은 제한이 없고, 시드 결정층이 실리콘 물질 핵 형성원 층인 단계;
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하는 단계;
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니의 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
를 포함한다.
여기서, 단계 (1)의 시드 결정의 배치는 임의의 방식으로, 인위적으로 배치할 필요가 없고, 시드 결정의 결정 배향은 제한이 없다. 또한, 시드 결정의 공급원, 유형, 형태, 최대 측면 길이 및 전위밀도는 모두 제한이 없다.
바람직하게는, 시드 결정은 실리콘 잉곳의 전단 또는 말단으로부터의 재료, 실리콘 잉곳의 가장자리로부터의 재료, 결함 있는 실리콘 재료, 단결정의 파쇄된 조각 또는 미세하게 파쇄된 실리콘 재료이다. 실리콘 잉곳의 전단 또는 말단으로부터의 재료 및 실리콘 잉곳의 가장자리로부터의 재료는 실리콘 잉곳 결정의 제조 중에 만들어지는 흔히 접하게 되는 폐기물이다. 결함 있는 실리콘 재료 및 단결정의 파쇄된 조각은 실리콘 잉곳 결정의 절단 과정 동안 만들어지는 폐기품 및 파쇄 조각이다. 미세하게 파쇄된 실리콘 재료는 실리콘 잉곳 결정의 폐기물이 분쇄되면서 얻어진다.
시드 결정은 단결정 또는 다결정일 수 있다. 용융 상태의 실리콘 재료는 상기 시드 결정 상에서 결정의 구조를 이어받아 계속 성장한다.
시드 결정은 조각, 덩어리, 스트립 또는 과립의 형태일 수 있다. 시드 결정이 불규칙 형상인 경우, 각 시드 결정의 결정 배향이 무작위로 분포하고, 결정립계는 원자 칼날 전위 영역이다. 시드 결정이 절단에 의해 형성된 규칙적 형상인 경우, 결정의 다면체 구조로 인해, 무작위 배치 이후 각 시드 결정은 결정 배향이 무질서하고, 결정립계도 원자 칼날전위 영역이다.
바람직하게는, 시드 결정의 최대 측면 길이는 1 내지 100mm 범위이다. 시드 결정의 최대 측면 길이가 작을수록, 수많은 시드 결정의 배치 후의 결정 배향이 더 달라지게 되며, 이는 원자 칼날전위 영역의 결정립계를 형성하기 쉽다. 더 바람직하게는, 시드 결정의 최대 측면 길이는 1 내지 50mm 범위이다.
시드 결정의 전위밀도가 낮을수록 전위밀도가 낮은 다결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 데에 더 유리하다. 바람직하게는, 시드 결정의 전위밀도는 103(개/cm2) 이하이다.
시드 결정층의 두께는 0.5 내지 5cm 범위이다. 바람직하게는, 시드 결정층의 두께는 5 내지 50mm 범위이다.
따라서, 시드 결정을 핵 형성원 층으로 사용하면, 시드 결정의 공급원이 매우 광범위하고, 재료의 취급이 편리하며, 종래기술에서 사용하는 연속적인 큰 크기의 시드 결정에 비하여, 가격면에서 뚜렷한 장점이 있어, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 비용을 크게 감소시킨다. 또한, 시드 결정은 도가니의 저부에 임의로 무작위로 배치되고, 인위적으로 배열할 필요가 없으므로, 조작이 쉽다.
단계 (2)에서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 제공하는 방식은 제한되지 않는다. 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 제공하는 것은, 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 제공하고, 도가니를 가열함으로써 실리콘을 용융시키며, 이때 용융 상태의 실리콘 재료는 시드 결정층의 표면 상에 공급하는 것이다. 고체 실리콘 재료의 공급원 및 순도는 제한되지 않는다.
시드 결정층이 완전히 용융되지 않았다는 것은, 시드 결정층의 일부분이 용융되고, 동시에 시드 결정층의 일부분이 비용융 상태로 유지되는 것을 의미한다. 바람직하게는, 미용융된 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 5 내지 95% 범위이다. 일반적으로, 실리콘 재료는 1500 내지 1560℃ 범위에서 용융된다. 도가니 저부에서 배치된 시드 결정층의 온도는 시드 결정의 융점 미만이다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득한다.
본 발명에서 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 시드 결정의 결정 배향이 제한되어 있지 않으므로, 고품질의 다결정 실리콘 잉곳을 수득할 수 있다. 이는 임의의 방식으로 배치된 시드 결정이 적당한 양의 결정립계를 제공하고, 결정립계는 원자 칼날전위 영역이어서, 전위가 결정립계를 향해 이동하여 흡수되고, 이에 의해 전위의 증가 및 확장을 방지하여, 다결정 실리콘 잉곳의 전체 전위를 감소시키고, 다결정 실리콘 잉곳의 전환 효율을 개선하여 다결정 실리콘 잉곳의 품질을 제고시킬 수 있기 때문이다.
제 2 측면에서, 본 발명은 전술한 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에 의해 제조된 다결정 실리콘 잉곳을 제공한다. 다결정 실리콘 잉곳은 전위밀도가 낮고 결점이 적다.
제 3 측면에서, 본 발명은 전술된 다결정 실리콘 잉곳을 원료로 하여 절단, 슬라이싱 및 세정을 거쳐 수득되는 다결정 실리콘 웨이퍼를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른, 원료를 공급한 후의 도가니를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른, 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른, 실리콘 잉곳 하부의 전위 시험 결과도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른, 실리콘 잉곳 상부의 전위 시험 결과도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 6에 따른, 원료를 공급한 후의 도가니를 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예 6에서 제조한 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 6에서 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼의 광 발광 스펙트럼이다.
도 8은 본 발명의 실시예 9에 따른 제조 공정을 나타내는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 9에서 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼를 광 발광 실리콘 웨이퍼 검사 시스템에 의해 관찰한 결정립계의 전위 방지 작용을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 9에서 제조한 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타낸다.
도 11은 비교실험 1에서 제조한 준-단결정의 소수 캐리어 수명을 나타낸다.
도 12는 비교실험 2에서 제조한 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타낸다.
이하의 설명은 본 발명의 바람직한 실시방식이다. 본 기술 영역의 통상의 기술자에게 있어서, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 어느 정도의 개선 및 응용이 이뤄질 수 있고, 이러한 개선 및 응용도 본 발명의 보호범위에 속하는 것임이 명백할 것이다.
실시예 1
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
실리콘 니트라이드층을 석영 도가니의 내벽 상에 분무 코팅한 후, 도가니 저부에 길이가 1 내지 5cm이고 두께가 1cm인 파쇄 다결정 실리콘 재료의 층을 배치하였다. 배치를 완료한 후, 도가니가 가득 찰 때까지 파쇄 다결정 실리콘 재료 상에 다양한 형상의 실리콘 재료를 충전하였다. 도 1은 본 실시예에서 재료를 충전한 후를 보여주는 개략도인데, 여기서 1은 도가니이고, 2는 파쇄 다결정 실리콘 재료이며, 3은 실리콘 재료이다.
그 다음, 실리콘으로 채워진 도가니를 주조로(casting furnace)에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 실리콘 융점 온도까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시켰다. 용융 공정 동안, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 팀측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치가 파쇄 다결정 실리콘 재료에 위치하는 것으로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 10K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 완전히 용융되지 않은 실리콘에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
WT2000을 사용하여 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 시험하였고, 시험 결과를 도 2에 나타냈다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명이 저부(오른쪽)부터 상부(왼쪽)까지 매우 균일하게 분포하고, 짧은 소수 캐리어 수명 면적이 작고, 실리콘 잉곳의 품질이 우수했다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 2.96×104(개/cm2)이고, 실리콘 잉곳 상부에서의 평균 전위밀도는 3.41×104(개/cm2)이었다. 도 3은 실리콘 잉곳 저부에서의 전위의 시험 결과를 보여준다. 도 4는 실리콘 잉곳의 상부에서의 전위의 시험 결과를 보여준다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.3%이었다.
실시예 2
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
실리콘 니트라이드층을 석영 도가니의 내벽 상에 분무 코팅한 후, 도가니 저부에 1cm 두께의 다결정 실리콘 덩어리 층을 배치하고, 그 위에 1 내지 5cm 크기를 갖고 2cm 두께의 파쇄 다결정 재료의 층을 배치하였다. 배치를 완료한 후, 도가니가 가득 찰 때까지 파쇄 다결정 재료 상에 다양한 형상의 실리콘 재료를 충전하였다.
그 다음, 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 실리콘 융점 온도까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시켰다. 용융 공정 동안, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치가 파쇄 다결정 실리콘 재료 층의 깊숙이 0.5cm에 위치하는 것으로 검출되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 20K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 완전히 용융되지 않은 실리콘에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 2.8×104(개/cm2)이고, 실리콘 잉곳 상부에서의 평균 전위밀도는 3.40×104(개/cm2)이었다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.46%이었다.
실시예 3
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
실리콘 니트라이드층을 석영 도가니의 내벽 상에 분무 코팅한 후, 도가니 저부에 고 강도, 고 밀도 및 고 순도의 1cm 두께의 그래파이트 판층을 배치한 후, 그 위에 1 내지 5cm 크기를 갖고 0.5cm 두께의 파쇄 다결정 재료의 층을 배치하였다. 배치를 완료한 후, 도가니가 가득 찰 때까지 파쇄 다결정 재료 상에 다양한 형상의 실리콘 재료를 충전하였다.
그 다음, 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 실리콘 융점 온도까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시켰다. 용융 공정 동안, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치가 파쇄 다결정 실리콘 재료 층의 깊숙이 0.2cm에 위치하는 것으로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 15K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 완전히 용융되지 않은 실리콘에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 3.1×104(개/cm2)이고, 실리콘 잉곳 상부에서의 평균 전위밀도는 3.56×104(개/cm2)이었다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.53%이었다.
실시예 4
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
실리콘 니트라이드층을 석영 도가니의 내벽 상에 분무 코팅한 후, 도가니가 가득 찰 때까지 도가니 저부부터 상부까지 다양한 형상의 실리콘 재료를 충전하였다.
그 다음, 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 실리콘 융점 온도까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시켰다. 용융 공정 동안, 용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
용융 실리콘과 미용융의 실리콘 재료에 의해 형성된 고액의 위치와 도가니 저부와의 거리가 0.2cm로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 15K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 완전히 용융되지 않은 실리콘에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 3.12×104(개/cm2)이고, 실리콘 잉곳 상부에서의 평균 전위밀도는 3.58×104(개/cm2)이었다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.48%이었다.
실시예 5
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 핵 형성원을 도가니 저부에 공급하여 핵 형성원층을 형성하되, 여기서 도가니 하부에 핵 형성원을 공급하는 것은, 사전에 실리콘 니트라이드층으로 코팅된 도가니 저부에 200g의 실리콘 분말을 도포하고, 도가니를 오븐에서 600℃에서 2시간 동안 로스팅하는 것이었다. 실리콘 분말의 입자 크기는 1mm이었다.
(2) 핵 형성원 층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하되, 여기서 핵 형성원 층 상에 용융 실리콘 재료를 공급하는 것은, 핵 형성원층 상에 450 내지 800kg의 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 1560℃까지 가열함으로써 고체 실리콘 재료를 용융시키고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 핵 형성원 층의 표면 상에 위치시키는 것이었다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 핵 형성원을 이용하여 핵을 형성하고 결정화하도록 하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다. 여기서, 방열판을 열고 저부 온도를 1360℃에서 제어함으로써 실리콘 용융액이 과냉각 상태에 도달하고, 핵 형성원을 이용하여 핵을 형성하고 결정화하도록 하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 3.6×103 내지 4.8×103(개/cm2)이었고, 소수 캐리어 수명은 18마이크로초(microsecond, μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.6%였다.
실시예 6
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 지멘스법에 의해 제조된 고순도의 무정형 막대 실리콘 재료를 도가니 저부에 배치하여, 미정질 핵 형성층을 형성하였다. 도가니가 가득 찰 때까지 미정질 핵 형성층 상에 실리콘 재료를 공급하였다. 도 5는 본 실시예에서 재료를 충전한 후의 도가니를 보여주는 개략도이다. 미정질 핵 형성층의 두께는 120mm이었다.
(2) 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 1530℃까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시켜 용융 실리콘을 형성하였다. 용융 공정 동안, 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 석영 막대를 사용하여 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
(3) 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면과 도가니 저부와의 거리가 15mm로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 5K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 고순도의 무정형 막대 실리콘 재료에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
(4) 모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
WT2000을 사용하여 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 시험하였고, 시험 결과를 도 6에 나타냈다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 다결정 실리콘 잉곳은 소수 캐리어 수명이 길고 전위가 적었다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 2.2×104(개/cm2)였다.
발광 스펙트럼을 사용하여 다결정 실리콘 웨이퍼의 전위 상황을 검사하였다. 그 결과를 도 7에 나타냈다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 다결정 실리콘 웨이퍼는 전위가 적고 결정립이 작고 균일했다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.8%이었다.
실시예 7
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 지멘스법에 의해 제조된 고순도의 무정형 막대 실리콘 재료를 파쇄한 후 얻은 덩어리 형상의 재료를 도가니 저부에 배치하여, 미정질 핵 형성층을 형성하였다. 도가니가 가득 찰 때까지 미정질 핵 형성층 상에 실리콘을 충전하였고, 미정질 핵 형성층의 두께는 50mm이었다.
(2) 그 다음, 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 1540℃까지 가열하여 실리콘 재료를 서서히 용융시키고 용융 실리콘을 형성하였다. 용융 공정 동안, 석영 막대를 사용하여 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
(3) 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면과 도가니 저부와의 거리가 30mm로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 6K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 고순도의 무정형 막대 실리콘 재료에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
(4) 모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 8.5×103(개/cm2)이다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 18.0%이었다.
실시예 8
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 유동층법에 의해 제조된 고순도의 실리콘 재료를 도가니 저부에 배치하여, 미정질 핵 형성층을 형성하였다. 도가니가 가득 찰 때까지 미정질 핵 형성층 상에 실리콘 재료를 공급하였다. 미정질 핵 형성층의 두께는 15mm이었다.
(2) 그 다음, 실리콘 재료로 채워진 도가니를 주조로에 잠입시켰다. 잉곳 주조 프로그램을 시작하고, 진공처리한 다음, 1500℃까지 가열하여 실리콘을 서서히 용융시켰다. 용융 공정 동안, 석영 막대를 사용하여 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 탐측하였다. 용융 공정의 전반 단계에서 매 1시간 간격으로 1회씩 탐측하였고, 용융 공정의 후반 단계에서 매 0.5시간 간격으로 1회씩 탐측하였다.
(3) 용융 실리콘에 의해 형성된 고액 계면과 도가니 저부와의 거리가 10mm로 검측되었을 때, 천천히 방열판을 열기 시작하고, 온도를 낮추어 용융 실리콘의 온도를 강하시켰으며, 온도 강하의 폭은 15K/분이었다. 어느 정도의 과냉각 상태가 형성되었고, 용융 실리콘은 미정질 실리콘 재료에 기초하여 핵을 형성하고 결정을 성장시키기 시작했다.
(4) 모든 용융 실리콘의 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳을 냉각시키고 절단하여 다결정 실리콘 덩어리를 수득한 후, 슬라이싱 및 세정하여, 다결정 실리콘 웨이퍼를 수득하였다. 다결정 실리콘 웨이퍼를 원료로 사용하여, 스크린 인쇄 기술에 의해 태양 에너지 전지를 제작하였다.
수득한 다결정 실리콘 잉곳에 대하여, 광학 현미경을 사용하여 전위를 관찰하였다(200배 확대). 시험 결과는 다음과 같았다: 실리콘 잉곳 저부에서의 평균 전위밀도는 3.5×104(개/cm2)이다.
수득한 태양 에너지 전지에 대해, 독일 halm 사의 전지 단편 검측 기기를 사용하여, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율을 측정하였다. 측정 결과, 태양 에너지 전지의 광전 변환 효율이 17.6%이었다.
실시예 9
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 반도체 제조 공정에서 생산된 단결정 파쇄 조각이었고, 시드 결정은 편상 단결정이었으며, 최대 측면 길이는 20mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 50mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
도 8은 본 실시양태에 따른 제조 공정을 보여주며, 여기서 1은 도가니, 2는 시드 결정층, 3은 실리콘 재료이다. 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 1530℃까지 가열하여 실리콘을 용융시키고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시키는 것이었다. 도가니 저부의 온도는 1412℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 60%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
도 9는 본 실시양태에 따Fk 수득한 다결정 실리콘 잉곳을 발광 실리콘 웨이퍼 검사 시스템에 의해 관찰한, 결정립계의 전위 방지 작용을 보여주는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 1은 결정립계, 2는 비-전위 영역, 및 3은 전위 영역이고, 결정립계 1에서 전위가 이동하여 뚜렷이 억제되었고, 비-전위 영역 2 및 전위 영역 3이 결정립계 1의 양측에서 뚜렷이 형성되었다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 1.5×103 내지 1.8×103(개/cm2), 소수 캐리어 수명은 25마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.8%였다.
실시예 10
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 단결정 제조 공정에서 생산된 가장자리 재료였고, 시드 결정은 덩어리 형태의 단결정이었으며, 최대 측면 길이는 100mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 50mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
여기서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 1536℃까지 가열하여 실리콘 재료를 용융시키고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시키는 것이었다. 도가니 저부의 온도는 1412℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 95%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 7.5×103 내지 8.0×103(개/cm2)였고, 소수 캐리어 수명은 18마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.8%였다.
실시예 11
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 단결정 제조 공정에서 생산된 가는 파쇄 실리콘 재료였고, 시드 결정은 입자 형태의 단결정이었으며, 최대 측면 길이는 1mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 5mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
여기서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 1500℃까지 가열하여 실리콘 재료를 용융시키고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시키는 것이었다. 도가니 저부의 온도는 1412℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 5%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 3.5×104 내지 4.8×104(개/cm2)였고, 소수 캐리어 수명은 10마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.1%였다.
실시예 12
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 다결정 제조 공정에서 생산된 폐급 실리콘 재료였고, 시드 결정은 입자 형태의 폐급 실리콘 재료였으며, 최대 측면 길이는 50mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 50mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
여기서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 또다른 도가니에 가열하여 용융 상태의 실리콘 재료를 제조한 후, 상기 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층을 갖는 도가니에 붓고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시켰다. 도가니 저부의 온도는 1413℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 95%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 3.2×104 내지 3.8×104(개/cm2) 범위 내, 및 소수 캐리어 수명은 15마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.5%였다.
실시예 13
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 다결정 제조 공정에서 생산된 가는 파쇄 실리콘 재료였고, 시드 결정은 입자 형태의 다결정이었으며, 최대 측면 길이는 1mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 5mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
여기서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 1500℃까지 가열하여 실리콘 재료를 용융시키고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시키는 것이었다. 도가니 저부의 온도는 1412℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 60%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 1.2×104 내지 1.8×104(개/cm2)였고, 소수 캐리어 수명은 10마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.2%였다.
실시예 14
다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법
(1) 도가니 저부에 임의로 시드 결정을 배치하고, 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정층을 형성하였다. 여기서, 시드 결정은 다결정 제조 공정에서 생산된 폐급 실리콘 재료였고, 시드 결정은 덩어리 형태의 폐급 실리콘 재료였으며, 최대 측면 길이는 40mm, 전위밀도는 103(개/cm2) 이하, 및 시드 결정층의 두께는 40mm이었다.
(2) 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정층이 완전히 용융되지 않도록 하였다.
여기서, 시드 결정층 상에 용융 상태의 실리콘 재료를 공급하는 단계는: 시드 결정층 상에 고체 실리콘 재료를 또다른 도가니에서 가열하여 용융 상태의 실리콘 재료를 제조한 후, 상기 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층을 갖는 도가니에 붓고, 이때, 용융 상태의 실리콘 재료를 시드 결정층의 표면에 위치시키는 것이었다. 도가니 저부의 온도는 1413℃였다. 미용융의 시드 결정층은 단계 (1)에서 배치된 시드 결정층의 5%였다.
(3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융 상태의 실리콘 재료가 시드 결정 상에서 시드 결정의 결정 배향 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득했다.
본 실시양태에 따라 수득한 다결정 실리콘 잉곳의 전위밀도는 5.0×103 내지 5.6×103(개/cm2)였고, 소수 캐리어 수명은 12마이크로초(μs)였다.
본 실시양태의 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지의 제조에 적합하다. 수득한 태양 에너지 전지의 변환 효율은 17.4%였다.
효과를 설명하는 실시예
본 발명의 유익한 효과를 뒷받침하기 위해, 비교실험 데이터를 다음과 같이 제공한다.
비교실험 1: 완전한 단결정 막대를 사용하여, 전단, 말단 및 가장자리 부분을 제거한 후, 156mm×156mm의 크기를 갖는 입방형 시드 결정 덩어리로 절단하였다. 도가니 저부가 완전히 덮힐 때까지, 상기 단결정 입방체를 도가니 저부에 규칙적으로 배치한 후, 시드 결정 상에 실리콘 재료를 배치하였다. 고온에서 용융시키고, 저부를 제어하여 시드 결정이 완전히 용융되지 않도록 하였다. 온도 구배를 제어하여 저부를 먼저 냉각시켜, 실리콘 용융액이 시드 결정의 표면 상에서 결정을 성장시키도록 하여, 단결정 구조를 갖는 준-단결정 실리콘 잉곳을 수득하였다.
비교실험 2: 통상적인 다결정 실리콘 잉곳의 성장 과정으로, 도가니 내에 실리콘 재료를 공급하고, 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시키고, 도가니의 핫존을 제어함으로써 용융상태의 실리콘 재료가 도가니 저부에서 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예 9 및 10과 비교실험 1 및 2의 대비는 다음과 같다:
실시예 9 및 10, 및 비교실험 1 및 2의 대비
실시예 9 실시예 10 비교실험 1 비교실험 2
시드 결정의
성질		 파쇄 편상 단결정의 가장자리 조각 큰 면적 없음
시드 결정원 반도체 제조 공정에서 생산된 폐기물 단결정의 가장자리로부터 파쇄된 조각 전단, 말단 및 가장자리 부분을 제거한 후, 절단함으로써 수득된 완전한 단결정 막대 없음
비용 비-실리콘 물질에 비용 들지 않음 2RMB/kg
(비-실리콘 물질)		 높음, 400 내지 800RMB/kg (비-실리콘 물질) 없음
수득한 제품의 성질 고 효율의 다결정,
전위밀도 105개/cm2 미만,
소수 캐리어 수명 15 내지 25μs		 고 효율의 다결정,
전위밀도 105개/cm2 미만,
소수 캐리어 수명 10 내지 20μs		 준-단결정
전위밀도 105개/cm2 미만,
소수 캐리어 수명 15 내지 25μs		 통상적인 다결정,
전위밀도 105 내지 106개/cm2 미만,
소수 캐리어 수명 5 내지 10μs
도 10은 본 발명의 실시예 9에 따른, 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타내는 것이다. 도 11은 비교실험 1에 따른, 준-단결정의 소수 캐리어 수명을 나타내는 것이다. 도 12는 비교실험 2에 따른, 다결정 실리콘 잉곳의 소수 캐리어 수명을 나타내는 것이다. 도 10 내지 12로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 한 실시양태에서 수득한 다결정 실리콘 잉곳은 소수 캐리어 수명이 길고, 중앙의 낮은 소수 캐리어 영역(어느 정도 전위밀도가 높은 영역)이 적은 반면에, 비교실험 1에서 수득한 준-단결정은 중앙의 낮은 소수 캐리어 영역이 발산 형태이고(전위가 확장하는 경향이 있음을 나타내고), 비교실험 2에서 수득한 다결정 실리콘 잉곳은 소수 캐리어 수명이 짧고, 중앙의 낮은 소수 캐리어 영역이 크고, 전위가 높았다.
종합하면, 본 발명에서 시드 결정층으로 배치한 실리콘 물질 핵 형성원 층으로 수득한 다결정 실리콘 잉곳은 105개/cm2 미만의 전위밀도 및 10 내지 25μs 범위의 소수 캐리어 수명을 갖는다. 그러나, 통상적인 방법에 의해 수득한 실리콘 잉곳은 105 내지 106개/cm2 범위의 전위밀도 및 5 내지 10μs 범위의 소수 캐리어 수명을 갖는다. 따라서, 수득한 다결정 실리콘 잉곳을 사용하여 제조한 다결정 실리콘 웨이퍼는 태양 에너지 전지를 생산하는 데에 적합하여, 제조한 태양 에너지 전지가 17.1 내지 17.8% 범위의 변환 효율을 갖는 반면, 통상적인 다결정 실리콘 웨이퍼를 사용하여 제조한 태양 에너지 전지는 16.5 내지 16.9% 범위의 변환 효율을 갖는다. 준-단결정의 효율은 17.2 내지 18.5% 범위이다.
이상의 설명은 본 발명의 바람직한 실시방식이다. 본 기술 영역의 통상의 기술자에게 있어서, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서, 어느 정도의 개선 및 응용이 이뤄질 수 있고, 이러한 개선 및 응용도 본 발명의 보호범위에 속하는 것임이 명백할 것이다.

Claims (19)

  1. 도가니의 저부에 실리콘 물질 핵 형성원 층을 제공하고, 실리콘 물질 핵 형성원 층 상에 실리콘을 충전하는 단계;
    가열에 의해 실리콘을 용융시키고, 상기 도가니 내의 핫존을 조절하여, 실리콘 물질 핵 형성원 층을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
    모든 결정화가 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하는 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법으로서,
    실리콘 물질 핵 형성원 층의 재료는 잉곳의 주조용으로 사용되는 실리콘 원료, 파쇄된 실리콘, 실리콘 분말, 미정질 핵 형성층 또는 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정 층이고, 상기 파쇄된 실리콘은 파쇄된 단결정 실리콘, 파쇄된 다결정 실리콘 및 파쇄된 무정형 실리콘 중 하나 이상인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    실리콘 니트라이드층으로 도가니의 내벽을 코팅한 후, 도가니의 저부부터 상부까지 실리콘 원료를 충전하는 단계;
    가열에 의해 도가니 내의 실리콘 원료를 용융시켜 용융된 실리콘을 형성하는 단계;
    용융된 실리콘과 미용융의 실리콘에 의해 형성된 고액 계면이 도가니 저부에 근접할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써 미용융의 실리콘을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
    용융된 실리콘의 결정화가 모두 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하되,
    상기 미용융의 실리콘은 실리콘 물질 핵 형성원 층인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    용융 공정 동안, 용융된 실리콘과 미용융의 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 0.2 내지 1시간 간격으로 탐측하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    실리콘 니트라이드층으로 도가니의 내벽을 코팅한 후, 도가니의 저부부터 상부까지 실리콘을 충전하는 단계로서, 상기 실리콘을 충전하는 단계는 사전에 도가니의 저부에 파쇄된 실리콘 층을 배치하는 것을 포함하고, 상기 파쇄된 실리콘은 파쇄된 단결정 실리콘, 파쇄된 다결정 실리콘 및 파쇄된 무정형 실리콘 중 하나 이상인 단계;
    가열에 의해 도가니 내의 실리콘을 용융시켜 용융된 실리콘을 형성하되, 용융된 실리콘과 미용융의 실리콘에 의해 형성된 고액 계면이 파쇄된 실리콘 층에 또는 파쇄된 실리콘 층의 깊숙이에 위치할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 파쇄된 실리콘 층을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
    용융된 실리콘의 결정화가 모두 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    파쇄된 실리콘의 크기가 0.1μm 내지 10cm이고, 파쇄된 실리콘 층의 두께가 0.5cm 내지 5cm인, 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    용융 공정 동안, 용융된 실리콘과 미용융의 실리콘에 의해 형성된 고액 계면의 위치를 0.2 내지 1시간 간격으로 탐측하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    (1) 도가니 저부에 핵 형성원을 공급하여 핵 형성원 층을 형성하는 단계로서, 상기 핵 형성원은 실리콘 분말인 단계;
    (2) 핵 형성원 층 상에 용융된 실리콘을 공급하는 단계로서, 상기 핵 형성원층 상에 용융된 실리콘을 공급하는 단계는, 핵 형성원 층 상에 고체 실리콘을 공급하고, 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시켜 용융된 실리콘을 핵 형성원 층의 표면에 위치시키거나; 또는 고체 실리콘을 또다른 도가니에서 가열하여 용융된 실리콘을 제조하고, 상기 용융된 실리콘을 핵 형성원 층을 갖는 도가니에 부어 용융된 실리콘을 핵 형성원 층의 표면에 위치시키는 단계;
    (3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니의 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성함으로써, 용융된 실리콘이 핵 형성원을 이용하여 핵 형성하고 결정화되어 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    단계 (1)에서, 핵 형성원의 공급이 도가니 저부에 핵 형성원을 도포하거나, 또는 도가니 저부에 핵 형성원을 직접 배치하는 것인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    핵 형성원의 입자 크기가 0.1μm 내지 1cm인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    단계 (3)의 핵 형성 및 결정화 과정에서, 과냉도가 -30K 내지 -1K의 범위로 제어되는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    (1) 도가니 저부에 미정질 핵 형성층을 배치하는 단계로서, 미정질 핵 형성층은 미정질 실리콘 및/또는 무정형 실리콘이고, 상기 미정질 핵 형성층의 두께는 제 1 높이이며, 상기 미정질 핵 형성층은 실리콘 물질 핵 형성원 층인 단계;
    (2) 미정질 핵 형성층 상에 실리콘을 충전하고, 가열에 의해 실리콘을 용융시켜 용융된 실리콘을 형성하며, 실리콘이 완전히 용융된 후에 형성된 고액 계면이 미정질 핵 형성층에 또는 미정질 핵 형성층 깊숙이에 위치할 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 핵 형성층을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 단계;
    (3) 용융된 실리콘의 결정화가 모두 완료된 후에, 어닐링 및 냉각을 수행하여 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    실리콘이 완전히 용융된 후에 형성된 고액 계면이 미정질 핵 형성층 깊숙이에 위치하고 도가니 저부로부터의 높이가 1mm 이상인 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 핵 형성층을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 것인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    실리콘이 완전히 용융된 후에 형성된 고액 계면이 미정질 핵 형성층 깊숙이에 위치하고 도가니 저부로부터의 높이가 5mm 이상인 때, 핫존을 조절하여 과냉각 상태를 형성함으로써, 미정질 핵 형성층을 기초로 하여 용융된 실리콘으로부터 결정을 성장시키는 것인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    제 1 높이가 1 내지 150mm 범위인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    (1) 도가니 저부에 결정 배향에 제한이 없는 시드 결정을 무작위로 배치하고 시드 결정 층을 형성하는 단계로서, 시드 결정 층이 실리콘 물질 핵 형성원 층인 단계;
    (2) 시드 결정 층 상에 용융된 실리콘을 공급하고, 도가니 저부의 온도를 시드 결정의 융점 미만으로 제어하여, 시드 결정 층이 완전히 용융되지 않도록 하는 단계;
    (3) 도가니 내부의 온도를 제어하여, 도가니의 저부에서 상부 방향으로 수직인 방향을 따라 점차 상승하는 온도 구배를 형성하여, 용융된 실리콘이 시드 결정 상에서 시드 결정의 구조를 이어받아 성장하도록 하여, 다결정 실리콘 잉곳을 수득하는 단계
    를 포함하는, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    단계 (1)에서의 시드 결정이 실리콘 잉곳의 전단 또는 말단으로부터의 재료, 실리콘 잉곳의 가장자리로부터의 재료, 결함 있는 실리콘 재료, 단결정의 파쇄된 조각 또는 미세하게 파쇄된 실리콘 재료인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    단계 (1)에서의 시드 결정이 단결정 또는 다결정인, 다결정 실리콘 잉곳의 제조 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조되는 다결정 실리콘 잉곳.
  19. 제 18 항에 따른 다결정 실리콘 잉곳을 절단, 슬라이싱 및 세정함으로써 수득되는 다결정 실리콘 웨이퍼.
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