KR20030004992A

KR20030004992A - 태양전지용 3상 크리스탈 실리콘 인곳트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20030004992A
Application number: KR1020020017418A
Authority: KR
Inventors: 정병천
Original assignee: 주식회사 에이티에스쏠라; 정병천; 장경구
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-01-15

Abstract

본 발명은 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 방법은, 2개의 인접한 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계를 갖는 주기적인 트윈 구조를 갖는 <110>방향으로 정렬된 실리콘 결정을 준비하는 단계와, 주기적인 트윈 구조를 갖는 실리콘을 시드 결정으로 사용하여 미리 정해진 주기적인 트윈 구조를 갖는 실리콘 인고트의 용융온도보다 0.1℃∼10℃ 낮은 온도를 유지하는 실리콘 용융물로부터 성장시키는 단계를 포함한다. 본 발명은 주기적 트윈 구조를 갖는 결정을 아주 얇게 자를 수 있고, 태양전지 응용에 있어 실리콘 결정에 소요되는 비용을 많이 절감하는 효과가 있다.

Description

주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트 및 그 제조방법{Semiconductor silicon ingot with cyclical twinned structure and manufacturing method thereof}

본 발명은 태양전지 등에 사용되는 반도체 실리콘에 관한 것이며, 특히, 반도체 물질 중 실리콘을 트윈 결정(twinned crystal)으로 성장시켜 주기적 트윈 구조를 갖도록 한 반도체 실리콘 인고트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전세계의 태양전지 시장이 급속히 성장하고 있다. 일반적인 태양전지 시장의 발전에 견주어 볼 때 2002년에는 전세계 태양전지 시장의 규모가 500MW/년에 이를 것이며, 특별한 수요가 있을 경우 600MW/년 정도 될 것이다. 비교해 보면 2000년도 통상적인 전세계 시장 규모는 약 280MW/년 였다. 태양전지 시장 규모의 성장여부는 태양전지 모듈의 가격에 있는데, 아직까지는 그 가격이 4.5$/Watt로 높은 편이다. 이렇게 가격이 높은 것은 적당한 태양전지용 기판이 부족하기 때문이다.

태양전지를 만드는데 사용되는 주재료는 순수 Cz 단결정 실리콘(dislocation-free Czochralski single crystal silicon)과 다결정 실리콘(cast poly crystalline silicon)이다.

그리고, 태양전지를 제조하기 위한 기초 소재로는 순수한 다결정 실리콘, 다결정 실리콘의 조각 및, Cz와 순수 다결정 실리콘으로 만들어진 Cz 실리콘 인고트(ingot)가 많이 사용된다. 전세계적으로 순수 다결정 실리콘의 생산량은 2002년도에 약 23,000톤에 이를 것으로 예견되고 있다. 이러한 양은 어림잡아 연간 400MW을 요구하는 전세계 태양전지 시장을 충족시킬 수 있는 양이다. 그리고, 순수 Cz 단결정 실리콘 인고트와, 다결정 형태로 만들어진 실리콘들을 제작하기 위해서는 약 15,000톤의 실리콘이 필요하다.

순수 다결정 실리콘은 마이크로 전자공학(microelectronics)의 응용제품을 만들기 위해 사용되는 초기 반도체 실리콘 결정의 초기 재료 제품과 동일한 형태를 갖는다. 이러한 순수 다결정 실리콘을 사용하여 태양전지 제품을 만들기 위해서는 너무 많은 비용이 소요된다. 그 이유는 순도가 낮은 실리콘으로 좋은 태양전지 제품을 만드는 것이 거의 불가능하기 때문이다. 순수 Cz 실리콘을 만들기 위해서는 순도가 높은 실리콘이 필요하다. 그 이유는 순수 단결정 성장의 경우 재료의 순수성에 매운 민감하기 때문이다.

저가격 및 저순도 실리콘을 사용하여 고효율을 갖는 태양전지를 제조하기 위해서는 고효율 성능을 수용할 수 있는 결정구조와 물리적 특성을 갖는 기초 재료를 만드는 것이 필요하다. 또한, 태양전지의 생산 단가를 낮게 하기 위해서는 기판의 두께를 얇게 해야 하고, 고효율 태양전지를 위해서는 소수 전하운반체의 라이프 타임(lifetime)을 낮게 하는 제조방법이 필요하다.

현재 많이 생산되고 있는 실리콘 결정들은 <111>면으로 성장되어 있으므로 기판용으로 얇게 자를 경우 매우 잘 깨진다. 그러므로, 단결정 인고트로 매우 얇게 자르는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 적당한 규칙적인 구조를 갖는 대규모 결정을 얻을 수 있는 정당한 재료를 구하는 것이 필요하다.

태양전지용 정상구조를 갖는 대구경용 실리콘 결정을 얻기 위한 첫번째 시도는 G. Martinelli 와 R. Kibizov에 의해 1992년(cf. : "Growth of stable dislocation-free 3-grain silicon ingots for thinner slicing" Appl. Phys. Letters, Vol.62, June 21, 1993, pp.3262-3263)에 이루어 졌다. 이들은 소위 3상 실리콘(3-grain silicon)이라 불리우는 부채꼴 모양의 서로 인접한 단결정 영역을 구성하였는데, 이 논문에는 3상 인고트를 아주 얇게 자를 수 있으며 고효율의 태양전지를 만들 수 있다고 기술하고 있다.

3상 실리콘 결정을 제조하기 위한 과정은 독일 특허 제43 43 296 C2에 자세히 언급되어 있다. 그 기술내용을 간단히 요약하면 다음과 같다. 먼저, <111> 결정방향으로 정렬된 모든 표면을 갖는 3개의 8면체 시드 결정(octahedral seed crystal)을 자르는 과정을 수행한다. 그리고, 트윈(twin)이 되는 위치에 8면체 결정이 서로 마주하도록 선으로 묶은 후 시드(seed)를 사용하여 용융된 실리콘으로부터 2상 인고트를 제조한다. 그런 다음, 이 2상 인고트를 사방정계 섹터(prismatic sector)로 자른 후 여기에 8면체 시드 결정을 끼워 맞춘 후 결정 성장법을 통해 3상 시드 인고트를 제조한다.

상기와 같은 선행 방법에 따르면 3상 인고트의 제조가 가능하지만, 여기에는 많은 결함요소가 있다.

첫째, 8면체 시드 결정을 준비하는 과정이 너무 어렵고, <111> 방향으로 정렬된 면을 정확히 사방정계 섹터로 구성하기도 어려우며, 트윈이 되는 위치 안에서 원자 격자구조로 정확히 결합하는 것은 더더욱 어렵다. 또한, 상기와 같은 방법으로 형성되는 3상 시드 인고트에 응력이 작용하면, 트윈 경계를 따라 성장된 인고트에 구조적 결함이 발생하는 문제점이 있다.

둘째, 시드의 길이에 대한 지름의 비가 약 2배가 되기 때문에, 8면체 결정들을 서로 연결 고정하는 것이 매우 어렵다. 일반적인 실리콘 인고트를 만드는 기술에서 시드는 12mm의 직경과 100∼150mm의 길이를 갖는 것을 사용한다. 짧게는 그 길이가 30∼50mm도 사용하나 그 이하는 사용하지 않는다. 그러나, 8면체 결정으로 고정하여 준비한 시드의 경우, 시드의 길이는 30∼50mm이고, 시드의 직경은 60∼100mm이다. 이 상태에서 인고트를 성장시키기 위해서는 매우 복잡한 과정을 수행해야 한다.

셋째, 2개의 1차 쌍 평면의 결정화 면과 1개의 2차 쌍 경계의 {111}면에 속박된 요철부분(groove)의 형성으로 인해 단결정 인고트보다 빠른 속도로 3상 인고트로 성장시키는 것이 가능하다. R.S Wagner(Acta Metallurgica, Vol.8, 1960, pp.57-60), D.R. Hamilton 및 R.G. Seidensticker(Journal of Applied Physics. Vol.31, 1960, pp.1165-1168)가 밝힌 바와 같이, 이들 요철부분은 쉬운 핵 형성의 영역을 제공한다. 즉, 요철부분의 형성으로 인해 경계면이 울퉁불퉁하여 결정성장에 악영향을 미친다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 용융온도를 조절함으로써 주기적 트윈 구조를 갖도록 한 반도체 실리콘 인고트 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 <100> 방향과, 2개의 인접한 {111}평면과 동시에 트윈을 이루는 방향으로 성장시킨 인고트를 도식적으로 표현한 도면이고,

도 2는 <100>방향과, 4개의 인접한 {111}평면과 동시에 트윈을 이루는 방향으로 성장시킨 인고트를 도식적으로 표현한 도면이고,

도 3은 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면을 나타낸 도면이고,

도 4는 각도 변위된 팁을 갖는 <110> 방향의 시드 결정의 상하면을 도시한 도면이고,

도 5는 도 4에 도시된 시드 결정의 성장과정을 나타낸 도면이고,

도 6은 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면과 추가로 성장한 짝수개의 평행한 인접 1차 트윈 평면을 나타낸 도면이고,

도 7은 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면과 추가로 성장한 각도 변위한 인접 1차 트윈 평면과 2차 평면을 나타낸 도면이고,

도 8은 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면과 추가로 성장한 변위한 인접 1차 트윈 평면과 3차 평면을 나타낸 도면이고,

도 9는 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면과 추가로 성장한 각도 변위한 인접 1차 트윈 평면과 2차 평면 및 3차 평면을 나타낸 도면이고,

도 10은 전체의 주기적 트윈 구조를 갖는 결정의 단면과 추가적으로 성장한 짝수개의 인접 1차 트윈 평면의 대부분을 나타낸 도면이다.

본 발명의 시드 결정은 2개의 밀착되어 있는 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계로 구성된 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는데, 2개의 인접한 트윈 평면의 교차점인 결정의 <100> 방향으로 성장한 인고트를 역학적으로 분리시킴으로써 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서 시드 결정을 구현할 수 있는 다른 방법은 팁(tip)을 갖는 최초 <110> 방향으로 성장된 단결정 시드를 사용하는 것이다. 여기서, 팁은 <110>방향에 있는 축으로부터 평행 이동하여 위치한다. 즉, 본 발명의 시드 결정은 시드의 축에 수직이고 용융점 이하의 온도조건에서 성장한 2개의 인접한 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계로 구성된 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는다.

본 발명에서 더욱 특별한 것은 청구범위 제1항의 제조방법을 통해 바람직한 주기적 트윈 구조를 갖는 <110> 방향의 반도체 실리콘 인고트를 제공한다는 것이다. 특히, 본 발명의 반도체 실리콘 인고트는 중앙부분에 삽입된 2개의 인접한 1차 {111}-{111} 트윈 평면과, 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계로 구성된 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는다. 그리고, 2개의 인접한 1차 {111}-{111} 트윈 평면과 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계에 의해 분리된 3개의 단결정(monocrystalline) 섹터를 갖는다.

본 발명에 의해 제조될 수 있는 반도체의 범위는 이미 알려진 2개의 인접한1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계로 구성(기본적인 주기적 트윈 구조를 가짐)된 3상 트윈 구조를 갖는 결정을 통해 만들 수 있는 제품들에서부터, 기본적인 트윈 구조와 각도 변위된 18개의 인접한 1차 트윈 평면, 3개의 2차 트윈 경계, 6개의 3차 트윈 경계(완벽한 주기적 트윈 구조)를 포함하는 트윈 구조에 이르기까지 모두 포함한다.

또한, 본 발명에서 더욱 특별한 것은 청구범위 제8항의 반도체 실리콘 인고트를 제공한다는 것이다.

본 발명은 여러 가지 장점을 갖는다. 즉, 본 발명의 제조방법을 통한 1개의 기본적인 장점은 시드를 준비하는데 있어 간단하며, 그 제조방법이 확실하다는 것이다. 그리고, 본 발명은 어떠한 방향의 어긋남도 없이 규칙적인 트윈 평면이 형성되며, 트윈 구조를 이룰 때 일어나기 쉬운 응력은 결정이 각각 역학적으로 결합될 때 일어난다. 그러므로, 본 발명에 따른 인고트는 종래의 기술보다 완벽한 구조를 갖도록 성장한다.

그리고, 시드는 도려내거나 절단하는 과정을 통해 제작되며, 이러한 시드를 성장시키는 기술은 일반 상용화된 기술과 다르지 않다. 즉, 특별한 성장기술을 필요로 하지 않는다.

본 발명에 따른 인고트의 제조방법은 인고트의 용융온도보다 0.1℃∼10℃ 낮은 온도(과냉온도)를 유지하는 실리콘 용융물로부터 성장시킴에 따라, 기본적인 주기적 트윈 구조에서 완벽한 주기적 트윈 구조에 이르기까지 여러 종류의 주기적 트윈 구조를 갖는 인고트를 얻을 수 있다. 그리고, 용융 과냉온도가 높을 경우에는많은 양의 추가적인 일치(coherent) 트윈 평면이 얻어지고, 또한 추가적인 일치 트윈 평면과 조화된 불일치(coherent) 제2, 제3 트윈 경계가 형성된다.

상기 추가적인 평면의 구성은 다음과 같은 유용한 장점을 제공한다.

첫째, {111}면으로 비스듬히 존재하는 면이 트윈간에 짧은 거리에 고정되어있기 때문에, 절단시에 깨어질 확률이 현저히 감소한다.

둘째, 추가적인 평면의 요철 부분(grooves)이 트윈 평면에 가까이 존재하게 결합되어 결정화되기 때문에 매우 빠른 속도로 결정을 성장시킨다.

셋째, 아주 우연히 만들어진 구조적 결함이 전체 결정에 전파되는 것을 추가적인 평면이 막아준다. 특히, 저급의 재료를 사용할 때에도 구조적 결함이 발생하지 않도록 한다.

다음으로 본 발명에 따른 양호한 실시예를 첨부한 도면을 예를 들어 상세히 설명하겠다.

먼저, 주기적 트윈 구조를 갖는 결정 성장용 시드 결정을 준비하는 과정에 대해 상세히 설명하겠다.

도 1 및 도 2를 참고로 하여, 주기적 트윈 구조를 갖는 결정 성장용 시드 결정을 준비하는 한 방법을 설명하면 다음과 같은 2단계로 요약할 수 있다.

첫번째 단계는 다음과 같다. 먼저, 직경 100mm 또는 그 이상의 <100>방향을 갖는 인고트를 Cz 성장법으로 생산한다. 즉, 과냉 상태로 용융된 원통모양의 부재를 변위 없이(dislocation-free) 성장시키는데, 용융점보다 0.5℃∼10℃ 낮은 온도로 트윈닝이 일어날 때까지 성장시킨다. 그리고, 인고트의 직경을 유지하기 위하여 용융온도와 성장속도를 변화시킨다. 트윈닝이 형성된 직후에는 용융온도 및 인장속도를 복원하고, 인고트의 길이가 인고트의 직경의 1.3배(이 경우 2개의 인접한 {111}면이 동시에 트윈닝 됨)가 될 때가지 계속해서 성장시킨다. 그리고, 인고트의 길이가 인고트의 직경의 0.8배(이 경우 3개 또는 4개의 인접한 {111}면이 동시에 트윈닝 됨)가 될 때가지 계속해서 성장시킨다.

도 1은 처음에 <100>방향으로 성장시킨 인고트의 원통형 부분과, 동시에 트윈이 형성된 2개의 8면체 기저부분에 인접한 {111}면을 나타낸 것이다. 도 1에서 점 B와 D는 트윈닝이 일어나는 부분이다. 그리고, ABC면과 ADC면은 {111}-{111}의 인접한 1차 트윈 면이고, ACC'A'면은 {221}-{221}의 2차 트윈 경계이다. 그리고, 선 AC는 3면이 <110>방향으로 변위한 교차선을 나타내고, 문자 H와 T는 호스트(host)와 트윈이 형성된 부분에 관계하는 결정학적 지표(crystallographic index)를 각각 나타낸다.

도 2는 <100>방향으로 처음으로 성장된 인고트의 원통형 부분과, 4개의 8면체 기저부분의 {111}면 전부가 동시에 트윈이 되는 것을 나타낸 것이다. 도 2에서 점 B, D, F 및 H는 트윈닝이 일어나는 곳이다. 그리고, 면 ABCO, EFGO 및 GHAO는 인접한 1차 트윈 면 {111}-{111} 이고, 면 AOO'A', COO'C', EOO'E' 및 GOO'G'은 2차 트윈 경계면이다. 그리고, 선 AO, CO, EO 및 GO는 1차, 2차 트윈 면의 경계선으로서, <110> 방향으로 변위된 교차선을 각각 나타낸다.

두번째 단계는 첫번째 단계에서 얻어진 트윈이 형성된 인고트로부터 시드를 준비하는 단계이다. 이 두번째 단계에서는 둥근 모양의 시드를 얻기 위해 필요한크기를 가지며 다이아몬드로 코팅된 속이 빈 공구로 도려내거나 절단하는 것이다. 여기서, 도려내거나 절단하는 것은 트윈 면의 <110> 방향(도 1의 AC 선과 도 2의 AO, CO, EO, GO선을 의미함)을 향한 절단선으로 절단하는 것으로서, 이 절단선이 시드의 축이 된다. 이 때, 시드의 길이는 대략 인고트 직경에를 적용한 크기를 갖는다. 이 경우 도 1에서와 같이 2개의 인접한 {111}면이 동시에 트윈닝된다. 그리고, 도 2에서와 같이 4개의 인접한 {111}면이 동시에 트윈닝되는 경우에도 시드의 길이는 대략 인고트 직경에를 적용한 크기를 갖는다. 이러한 방법을 통해 도 3과 같이 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 <110> 방향 시드를 준비하는 것도 가능하다. 이러한 기본적인 주기적 트윈 구조는 도 3과 같이 2개의 {111}-{111}의 인접한 1차 트윈 면과 1개의 {221}-{221}의 2차 트윈 경계로 구성되고, 109.4712°와 125.2644°의 각도로 중심에서 교차하며, 이들은 H(호스트), T1(트윈 1) 및 T2(트윈 2)의 3개의 단결정 부분을 갖는다.

도 4 및 도 5를 참고로 하여, 주기적 트윈 구조를 갖는 결정 성장용 시드 결정을 준비하는 다른 방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 시드의 축에 수직인 <110> 방향에 있는 축으로부터 이동된 팁(tip)을 갖는 <110>방향의 단결정 시드를 준비한다.

그런 다음, Cz 성장법으로 제작된 팁을 갖는 시드를 풀링(pulling)법으로 성장시키는 과정을 수행한다. 즉, 트윈닝이 일어나서 성장될 때까지 용융점보다 0.5℃∼10℃ 낮은 용융온도로 성장시켜 도 5에 나타낸 바와 같이 기본적인 주기적 트윈 구조를 형성한다. 이렇게 하여 주기적 트윈 구조가 형성되면, 용융온도를 회복시키고 원하는 구경 및 길이가 형성될 때까지 시드를 계속 성장시킨다. 시드의 성장이 완료되면, 기본적인 주기적 트윈 구조를 갖는 시드를 팁을 갖는 원래의 시드로부터 절단하여 얻는다.

다음으로, 주기적 트윈 구조를 갖는 결정 인고트를 성장시키는 과정에 대해 상세히 설명하겠다.

즉, 본 발명은 상기와 같은 과정을 통해 준비한 주기적인 트윈 구조를 갖는 시드를 주기적 구조를 갖는 인고트의 성장 과정에서 시드 결정으로 사용하는 것이다. 주기적인 트윈 구조를 갖는 인고트의 성장 과정은 일반적인 순수 Cz 단결정 인고트의 성장과정과 유사하나, 팁의 성장을 시작한 후 용융 과냉온도를 용융온도보다 0.1℃∼10℃ 낮은 범위로 선택하는 것이 상이하다. 상기와 같은 용융 과냉온도 범위에서 과냉온도가 높을 경우(용융온도보다 10℃ 낮음)에는 주기적 트윈 구조를 더 많이 얻을 수 있다.

성장된 결정의 주기적 트윈 구조는 도 3 및 도 6 내지 도 10에 도시되어 있다. 도 3은 기본적인 주기적 트윈 구조를 나타낸 것이다. 그리고, 도 6은 기본적인 주기적 트윈 구조와, 부차적인 짝수개의 서로 평행한 인접 1차 {111}-{111} 평면을 나타낸 것이다. 도 7은 기본적인 주기적 트윈 구조와, 추가로 성장하여 각도 변위한 인접 1차 트윈 평면 {111}-{111}과 1개의 2차 경계면 {221}-{221}을 나타낸 것이다. 즉, 도 7은 결정축과 단결정 섹터 중 어느 1개 속에, 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에, 또는 이들 중 각각의 안에 인접한 영역으로부터 만들어진 결과를나타낸 것이다.

도 8은 기본적인 주기적 트윈 구조를 가지며, 추가로 각도 변위한 인접 1차 트윈 평면 {111}-{111}과 1개의 3차 트윈 경계면 {552}-{552}를 나타낸 것으로서, 도 8은 그들 중 더 가까이 근접한 2개에서 결정축과 단결정 섹터 중 어느 1개 속에, 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에, 또는 이들 중 각각의 안에 인접한 영역으로부터 만들어진 결과를 나타낸 것이다.

도 9는 기본적인 주기적 트윈 구조와, 추가로 성장한 6개의 각도 변위한 인접 1차 트윈 평면 {111}-{111}과 가장 인접한 트윈 평면 {111}-{111}과 1개의 2차 트윈 경계 {221}-{221}사이에 2개의 3차 경계면 {552}-{552}를 나타낸 것으로서, 도 9는 그들 중 더 가까이 근접한 2개에서 결정축과 단결정 섹터 중 어느 1개 속에, 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에, 또는 이들 중 각각의 안에 인접한 영역으로부터 만들어진 결과를 나타낸 것이다. 도 9의 (d)는 완벽하게 형성된 주기적 트윈 구조를 나타낸 것이다.

도 10은 대부분 추가적으로 성장한 짝수개의 인접한 1차 트윈 평면 {111}-{111}을 갖는 완벽한 주기적 트윈 구조를 나타낸 것이다. 그리고, 도 3, 도 6 내지 도 10에 도시한 실선들은 인접한 1차 트윈 평면 {111}-{111}을 나타내고, 두번 그은 선은 2차 트윈 경계선 {221}-{221}을 나타내며, 세번 그은 선은 3차 트윈 경계선 {552}-{552}를 각각 나타낸다.

위에서 설명하고 도면에 나타낸 인고트의 성장은 용융 과냉온도(용융온도보다 0.1℃∼10℃ 낮음)를 통해 실현할 수 있으며, 또한 최고 용융 과냉온도(용융온도보다 10℃ 낮음)를 통해 더 발전된 주기적 트윈 구조로 실현할 수 있다. 1차 트윈 평면과 2차, 3차 트윈 경계면은 <110> 성장 방향에 평행하다. 이들 평면과 경계면은 인고트 성장 과정에서 볼 수 있으며, 이러한 평면과 경계면은 시드 원뿔(cone) 위에 부채꼴모양의 규칙적인 선들로 나타나며, 또한 원통형 부재 위에 정확히 수직선으로 나타난다.

본 발명의 주기적 트윈 결정성장 방법을 이용할 경우에는 매우 긴 준 연속성으로 성장시킬 수 있어 생산 단가를 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 주기적 트윈 구조를 갖는 실리콘 결정은 고효율 태양전지 제조과정에서 기판 재료로 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 인고트를 사용하여 웨이퍼(wafer), 태양전지(solar sell) 및 태양모듈(solar module)을 제작할 수 있다. 그리고, 상기와 같은 본 발명을 적용하여 태양전지를 구성할 경우, 실리콘 결정에 기반을 둔 다른 종류의 주기적 트윈 구조를 갖는 태양전지 보다 그 효율이 20% 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트 및 그 제조방법은 상용화된 Cz 성장방법으로 만드는 단결정과 비교해 볼 때 많은 장점이 있다.

첫째, 긴 준 연속성 결정 성장기술과 함께 결정 성장속도가 10배 이상 되어 높은 생산성을 갖는다. 예를 들어, 저급의 실리콘 재료를 이용하여 고급의 실리콘으로 정제할 수 있다.

둘째, 주기적 트윈 구조를 갖는 결정을 아주 얇게 자를 수 있고, 태양전지 응용에 있어 실리콘 결정에 소요되는 비용을 많이 절감하는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트 및 그 제조방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

2개의 인접한 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계를 갖는 주기적 트윈(twin) 구조를 갖는 <110>방향으로 정렬된 실리콘 결정을 준비하는 단계와,

상기 주기적인 트윈 구조를 갖는 실리콘을 시드 결정(seed crystal)으로 사용하여 미리 정해진 주기적 트윈 구조를 갖는 실리콘 인고트(ingot)의 용융온도보다 0.1℃∼10℃ 낮은 온도를 유지하는 실리콘 용융물로부터 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 결정을 준비하는 단계는,

결정 성장법을 사용하여 실리콘 용융물로부터 <100>방향의 인고트를 성장시키는 단계와,

상기 인고트를 성장시키는 동안 주기적인 부분을 형성하는 단계와,

상기 주기적인 부분이 형성되기 시작한 직후 상기 실리콘 용융물의 용융온도를 실리콘의 용융점 아래로 낮추는 단계와,

상기 인고트가 트윈닝(twinning)된 후 실리콘의 용융온도를 실리콘의 용융점 위로 상승시키는 단계와,

상기 인고트의 트윈닝 개시 후 2개의 인접한 {111}면이 트윈닝되도록 인고트의 직경의 1.3배에 해당하는 인고트의 길이에 이를 때까지 성장시킨 후, 4개의{111}면이 동시에 트윈닝되도록 인고트의 길이가 인고트의 직경의 0.8배에 이를 때까지 다시 성장시키는 단계 및,

2개의 인접한 트윈 평면의 교차방향인 <110> 방향의 시드의 축으로 성장한 트윈 인고트를 물리적으로 분리하여 2개의 인접한 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계로 구성된 주기적 트윈 구조를 갖는 시드를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 시드는 상기 트윈 인고트를 도려내거나 절단하여 제작하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 인고트의 용융점보다 0.5℃∼10℃ 낮은 용융온도에서 트윈닝 시키는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 실리콘 결정을 준비하는 단계는,

시드의 축에 수직인 <110> 방향에 있는 축으로부터 이동된 팁(tip)을 가지며 <110> 방향으로 정렬된 단결정 시드를 준비하는 단계와,

2개의 인접한 1차 트윈 평면과 1개의 2차 트윈 경계로 구성되는 주기적 트윈 구조가 형성될 때까지 용융온도보다 낮은 조건에서 결정을 성장시켜 시드를 만드는단계와,

트윈닝이 형성된 후 용융온도를 유지하는 단계 및,

요구되는 직경과 길이를 갖는 주기적 트윈 구조를 갖도록 트윈닝 시드를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 시드는 Cz(Czochralski) 반도체 성장법으로 제작하고, 상기 시드를 풀링(pulling)법으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
제6항에 있어서, 상기 주기적 트윈 구조를 갖는 인고트를 성장시켜, 상기 팁과 시드 원뿔(cone)을 포함하는 상부를 도려내거나 절단하여 상기 시드를 준비하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트의 제조방법.
<110> 방향을 향하고 주기적 트윈 구조를 가지며,

2개의 인접한 1차 {111}-{111} 트윈 평면과 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계로 구성되어 있고, 인고트의 중앙부분에서 교차하고 성장방향이 <110> 방향과 평행하며,

2개의 인접한 1차 {111}-{111}트윈 평면과 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계에 의해 3개의 단결정 섹터로 나눠지는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제8항에 있어서, 추가로 1개의 단결정 섹터 안에서 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에서 또는 각각의 단결정 섹터 안에서 <110> 성장 방향에 평행하게 성장된 짝수개의 인접한 1차 {111}-{111}면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제8항에 있어서, 추가로 2개의 각도 변위된 인접 1차 {111}-{111} 트윈 평면과 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계를 더 포함하며, 이들은 단결정 섹터 중 1개 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에서 또는 각각의 단결정 섹터 안에서 <110> 성장 방향에 평행하게 성장된 인고트의 축에 근접한 영역에서 만들어지는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제8항에 있어서, 추가로 3개의 각도 변위한 인접 1차 {111}-{111} 트윈 평면과 1개의 3차 {552}-{552} 트윈 경계를 더 포함하며, 이들 중 더 가까이 근접한 2개에서 결정축과 단결정 섹터 중 1개 속에 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에 또는 그들 중 각각의 안에 인접한 영역에서 만들어지는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제8항에 있어서, 추가로 성장한 6개의 각도 변위한 인접 1차 {111}-{111} 트윈 평면과 2개의 3차 {552}-{552} 트윈 경계를 더 포함하며, 이들 중 추가로 생성된 트윈 평면에 가장 인접한 {111}-{111} 면과 이들 추가된 1차 트윈 평면들의 중앙에 위치하는 1개의 2차 {221}-{221} 트윈 경계들 사이에서, 더 가까이 근접한 2개에서 결정축과 단결정 섹터 중 1개 속에 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에 또는 그들 중 각각의 안에 인접한 영역에서 만들어지는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제8항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주기적 트윈 구조는 상기 어떤 단결정 섹터 안에서 만들어지는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.
제10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1개의 단결정 섹터 안에서 또는 어떤 2개의 단결정 섹터 안에서 또는 각각의 단결정 섹터 안에서 <110> 성장 방향에 평행하게 성장된 짝수개의 인접한 1차 {111}-{111}면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주기적 트윈 구조를 갖는 반도체 실리콘 인고트.