KR101814111B1 - 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 리본 스트링법으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 도가니에 벌크(bulk) 상태의 실리콘이 용융된 융액을 공급하는 단계; 상기 도가니에 스트링을 통과시키고, 스트링 사이에 단결정 실리콘 시드층을 용융된 실리콘과 접촉시키는 단계; 상기 스트링을 끌어올려 이동시켜 스트링 사이에 리본 결정을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 리본결정에서 스트링을 제거하는 단계;를 포함하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법이 제공된다.

Description

대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법{Manufacturing method for Large area Single Crystal Silicon Wafer}
본 발명은 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 리본 스트링법을 이용하여 실리콘 손실률이 대폭 감소된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 원자끼리 규칙적으로 정렬되어 있는 단결정 실리콘은 폴리실리콘을 다시 한번 물리적으로 정제하여 만든다. 폴리실리콘에서 단결정 실리콘을 성장하는 방법에는 크게 플로팅 존(FZ)법과 쵸크랄스키(CZ)법이 있다. 플로팅 존(FZ)법은 높은 전도성과 고순도의 결정을 만들 수 있는 장점이 있지만 고가여서 대부분의 IC 제품에서는 쵸크랄스키(CZ)법이 사용된다.
초크랄스키(CZ)법은 다결정 실리콘을 석영 도가니에 투입하여 용융시킨 후 종자(seed)결정을 용융된 실리콘 융액에 담근 후 용융된 실리콘 융액의 온도의 균일성을 유지하고 비등방성장 방지를 위해 도가니 속에서 종자결정을 회전시키면서 서서히 끌어당겨 단결정 잉곳을 성장시키는 방법이다.
그러나, 초크랄스키(CZ)법을 이용하여 제조된 단결정 잉곳을 태양전지 제작에 필요한 웨이퍼로 사용하기 위해서는 일정한 두께로 절단하는 절삭공정이 요구되며, 이후, 절삭공정에서 생긴 결함을 제거하고 웨이퍼의 두께와 평탄도를 균일하게 하는 후공정이 요구된다. 이 과정에서 30 내지 50%의 실리콘 손실이 이루어지며, 이로 인해 태양전지를 1W 생산함에 있어서 9 내지 12g의 실리콘이 필요하다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 대한민국공개특허 2010-0039386호 및 대한민국공개특허 2009-0086567에는 스트링 리본이라는 새로운 공정을 통해 웨이퍼를 시트처럼 뽑아냄으로써 실리콘 사용량을 줄이는 것을 공개하였으나, 제조시 생산 수율이 낮아 양산화하지 못하는 문제점이 있으며, 현행 기술로는 단결정 웨이퍼의 제조가 불가능한 실정이다.
이와 같은 기술적 배경 하에서, 본 발명자들은 상술한 종래 기술상의 문제점을 해결하고 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하고자 예의 노력한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
결국, 본 발명의 목적은 스트링 리본법에 단결정 실리콘 시드층을 사용하여 온도를 조절함으로써, 실리콘의 손실률이 대폭 감소된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 리본 스트링법으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 도가니에서 벌크(bulk) 상태의 실리콘을 용융시키는 단계; 상기 도가니에 스트링을 통과시키고, 스트링 사이에 단결정 실리콘 시드층을 용융된 실리콘과 접촉시키는 단계; 상기 스트링을 끌어올려 이동시켜 스트링 사이에 리본 결정을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 리본결정에서 스트링을 제거하는 단계;를 포함하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 도가니 및 리본결정이 성장하는 공간은 단열부로 둘러싸여 있고, 상기 단결정 시드층 상부에는 히트싱크를 배치하여 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 리본 결정이 성장하는 공간에 하나 이상의 히트싱크를 배치하여 온도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 온도 조절은 실리콘 융점에서 1680K까지의 온도 범위로 리본 결정 성장 방향의 온도구배를 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 단결정 실리콘 시드층의 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 두께는 60 내지 320 μm일 수 있다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 단결정 실리콘 시드층은 초크랄스키법(Czochralski method) 또는 플로팅존법(Floting zone method)으로 제조될 수 있다.
본 발명에 따른 대면적의 실리콘 웨이퍼 제조방법의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼의 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 세로길이는 24 내지 48 인치(inch)이며, 두께는 60 내지 320 μm일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 제조방법에 따라 제조된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼가 제공된다.
본 발명은 스트링 리본법에 단결정 실리콘 시드층을 이용하여 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼를 구현할 수 있다.
본 발명은 리본 결정의 성장 후 절삭 공정을 수반하지 않기 때문에 실리콘의 손실을 대폭 줄일 수 있어 대면적의 실리콘 웨이퍼를 낮은 비용으로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도 구배를 나타낸다.
도 2 및 3은 본 발명의 온도 구배를 유지하기 위한 온도유지 장치의 사시도이다.
도 4는 홀더에 고정된 스트링 및 단결정 실리콘 시드층의 단면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에서는 리본 스트링법으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서, 도가니에 벌크(bulk) 상태의 실리콘이 용융된 융액을 공급하는 단계; 상기 도가니에 스트링을 통과시키고, 스트링 사이에 단결정 실리콘 시드층을 용융된 실리콘과 접촉시키는 단계; 상기 스트링을 끌어올려 이동시켜 스트링 사이에 리본 결정을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 리본결정에서 스트링을 제거하는 단계;를 포함하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법이 제공된다. 이하에서 각 단계에 대해 보다 상세히 설명한다.
도가니에 벌크(bulk) 상태의 실리콘이 용융된 융액을 공급하는 단계에서는 도가니(11)에 벌크 상태의 실리콘이 용융된 용액을 공급한다. 공급된 융액은 1차적으로 보관 및 온도를 유지하는 도입영역(11a)을 지나 실제로 웨이퍼를 생산하기 위한 반응영역(11b)으로 이송된다. 도가니(11)의 온도는 용융된 실리콘을 안정적으로 제조하기 위해 실리콘의 융점보다 높은 온도(약 1800K)로 유지한다. 본 발명에서 사용되는 도가니는 초크랄스키법에서 사용되는 것이라면 모두 가능하며, 석영 도가니일 수 있다.
용융된 실리콘에 스트링을 통과시키고, 스트링 사이에 단결정 실리콘 시드층을 용융된 실리콘과 접촉시키는 단계에서는 먼저 도가니(11) 하부에 위치한 스트링 와이어 툴(14)에서 와이어를 제공하여 도가니를 거쳐서 스트링(15)을 통과시킨다. 하부에 위치한 스트링 와이어 툴(14)은 생산에 필요한 와이어들이 전처리된 상태로 보관되어 있으며, 리본결정을 생산하는 동안 와이어를 연속적으로 제공하는 역할을 한다.
이후 도가니를 통과한 스트링(15)은 스트링 홀더(16)로 고정되고 고정된 스트링 사이에 단결정 실리콘 시드층(17)을 위치시키고 도가니에 공급된 실리콘 융액과 접촉시킨다. 본 발명에서 쓰이는 단결정 실리콘 시드층은 일반적으로 알려진 초크랄스키법 또는 플로팅존법을 사용하여 제조한 것으로, 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 두께는 60 내지 320 μm이다. 상기 단결정 실리콘 시드층 또한 양 스트링 홀더(16)와 접촉하고 있는 단결정 실리콘 시드층 홀더(17)로 고정된다. 도 4에는 홀더(16, 18)로 고정된 스트링(15) 및 단결정 실리콘 시드층(17)의 단면도를 나타내었다. 단결정 실리콘 시드층의 상부에는 단결정 실리콘 시드층의 온도를 유지하기 위한 히트 싱크(19)를 구비한다.
스트링을 끌어올려 이동시켜 스트링 사이에 리본 결정을 형성하는 단계에서는 도가니를 통과시킨 스트링을 서서히 끌어올리면서 스트링 사이에 리본 결정을 형성하면서 실리콘 융점에서 1680K까지의 온도 범위로 리본 결정 성장 방향의 온도구배를 유지하면서 온도를 조절한다. 도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온도구배를 도시하였다.
본 발명에서는 도가니 및 리본결정이 성장하는 공간을 단열부(10)로 둘러싸고 반응로(12)에 이동식 히트싱크(13)를 배치하여 성장하는 결정의 온도를 유지한다. 도 2 및 3에 본 발명의 온도 유지 장치를 도시하였다. 도 2 및 3을 참조하면, 상기 히트싱크(13)는 반응로(12) 사이를 이동하면서 반응로(12) 및 스트링(미도시)의 온도보다 조금 낮은 1680 내지 1695K의 온도를 유지한다.
형성된 리본결정에서 스트링을 제거하는 단계에서는 리본결정이 양 끝단에 접촉되어 있는 와이어를 다이아몬드 컷팅 방법을 이용하여 제거한다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼의 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 세로길이는 24 내지 48 인치(inch)이며, 두께는 60 내지 320 μm일 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법은 스트링 리본법에 단결정 실리콘 시드층을 사용하여 온도를 조절함으로써, 실리콘의 손실률이 대폭 감소된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항 들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10: 단열부
11: 도가니
11a: 도입영역
11b: 반응영역
12: 반응로
13, 19: 히트싱크
14: 스트링 와이어 툴
15: 스트링
16: 스트링 홀더
17: 단결정 실리콘 시드층
18: 단결정 실리콘 시드층 홀더

Claims (8)

  1. 리본 스트링법으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법에 있어서,
    도가니에 벌크(bulk) 상태의 실리콘이 용융된 융액을 공급하는 단계;
    상기 도가니에 스트링을 통과시키고, 스트링 사이에 용융된 실리콘을 단결정 실리콘 시드층과 접촉시키는 단계;
    상기 스트링을 끌어올려 단결정 실리콘 시드층을 이동시켜 스트링 사이에 리본 결정을 형성하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 도가니 및 리본 결정이 성장하는 공간은 단열부로 둘러싸여 있고, 상기 단결정 시드층 상부에는 이동식 히트싱크를 배치하여 온도를 조절하며,
    상기 온도 조절은 실리콘 융점에서 1680K까지의 온도 범위로 리본 결정 성장 방향의 온도구배를 유지하는 것을 특징으로 하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 리본 결정이 성장하는 공간에 하나 이상의 히트싱크를 배치하여 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 시드층의 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 두께는 60 내지 320 μm인 것을 특징으로 하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 시드층은 초크랄스키법(Czochralski method) 또는 플로팅존법(Floting zone method)으로 제조된 것을 특징으로 하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼의 가로길이는 3 내지 24 인치(inch)이고, 세로길이는 24 내지 48 인치(inch)이며, 두께는 60 내지 320 μm인 것을 특징으로 하는 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼 제조방법.
  8. 제 1항, 제 3항, 및 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따라 제조된 대면적의 단결정 실리콘 웨이퍼.
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