KR20030034190A - 결정 박판의 제조 방법 및 결정 박판을 사용한 태양전지 - Google Patents

결정 박판의 제조 방법 및 결정 박판을 사용한 태양전지 Download PDF

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Abstract

결정 박판을 성장시키기 위해서 필요한, 성장면의 온도 제어를 행하기 위해서는, 냉각 능력을 변화시킬 필요가 있지만, 수냉의 경우는 냉각수의 유량을 대폭적으로 변화시키는 것은 곤란하고, 공냉(空冷)의 경우도 냉각 가스의 유량을 대폭적으로 변경하는 경우는 장치가 대규모, 고비용으로 된다. 본 발명은, 이와 같은 상황을 근본적으로 없애고, 결정 박판을 성장시키는 면의 온도 제어를 용이하게 행하여, 저비용의 결정 박판을 얻는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는, 적어도 2층으로 이루어지고, 일방의 층이 타방의 층과 열전도율이 상이한 재질로 이루어지는 다층 구조 베이스를, 금속 재료 또는 반도체 재료 중 적어도 어느 하나를 함유하는 결정을 형성할 수 있는 물질의 융액에 접촉시킴과 동시에, 베이스의 온도를 제어하는 것에 의해, 베이스 표면에 상기 결정을 형성할 수 있는 물질의 결정을 성장시킴으로써 상기 결정 박판을 얻을 수 있다.

Description

결정 박판의 제조 방법 및 결정 박판을 사용한 태양전지{METHOD FOR PRODUCING CRYSTAL THIN PLATE AND SOLAR CELL COMPRISING CRYSTAL THIN PLATE}
종래, 태양전지에 사용되고 있는 다결정 실리콘 웨이퍼의 제작 방법은, 예컨대 일본국 특개평 제6-64913호 공보에 개시된 실리콘 등의 다결정 물체의 주조 방법이 있다. 즉, 불활성 분위기중에서 인 또는 보론 등의 도펀트를 첨가한 고순도 실리콘 재료를 도가니 속에서 가열 용융시킨다. 이어서, 이 실리콘 융액을 주형에 유입하고 서냉시켜, 다결정 잉곳(polycrystal ingot)을 얻는 방법이다. 이와 같이 하여 얻어진 다결정 잉곳으로 태양전지용으로 사용 가능한 다결정 실리콘 웨이퍼를 제작하는 경우에는, 상기 잉곳을 와이어 소우(wire saw)나 내주인법(inner diameter blade method) 등을 사용하여 슬라이싱하게 된다.
다른 방법으로서는, 슬라이스 공정이 없는 실리콘 결정 박판을 제작하는 방법으로서, 일본국 특개소 제61-275119호 공보에 개시된 실리콘 리본의 제조 방법이 있다. 이 방법은, 내부에 수냉(water-cooling) 또는 공냉(air-cooling) 등의 냉각수단을 갖는 원통형의 회전 냉각체의 일부를 실리콘 융액에 침지(浸漬)하여, 그 원통면에 생성하는 실리콘 응고핵을 인출함으로써, 실리콘 리본을 얻는 방법이다.
회전 냉각체의 구조로서는, 열전도성이 좋은 동(銅) 등으로 이루어지는 수냉 금속체의 외측을 세라믹으로 이루어지는 내화물로 덮은 구조이다. 이 방법에 의하면, 평형 분배 계수가 1보다 작은 불순물 원소가 용융실리콘측으로 배출되는 것에 의한 정제 효과에 의해, 순도가 향상한 실리콘 리본을 인출하는 것이 가능하다.
또한, 일본국 특개평 제10-29895호 공보에는, 실리콘 리본의 제조장치가 기재되어 있다. 이 실리콘 리본의 제조 장치는, 실리콘의 가열용해부와 내열재로 구성된 회전 냉각체로 개략 구성되어 있다. 그리고, 카본 넷(carbon net)의 일단부가 미리 휘감긴 회전 냉각체를 실리콘 융액에 직접 접촉시킴으로써, 상기 회전 냉각체의 표면에 실리콘 리본이 형성된다. 상기 형성된 실리콘 리본은, 회전 냉각체를 회전시킴과 동시에, 휘감긴 카본 넷을 인출함으로써, 상기 카본 넷에 고착된 실리콘에 이어지는 실리콘 리본을 연속적으로 취출할 수 있다.
이러한 방법에 의하면, 잉곳을 와이어 소우 등에 의해 슬라이스하여 웨이퍼를 얻는 종래의 실리콘 웨이퍼의 제조법보다, 프로세스 비용 및 원료비 모두를 절감할 수 있다. 또한, 회전 냉각체가, 실리콘 리본을 강제 냉각, 인출 및 지지하기 때문에, 인출 속도를 대폭적으로 향상시키는 것이 가능하다. 회전 냉각체의 크기, 회전수에 따라, 인출 속도는 제어 가능하지만, 일반적으로 10 cm/분 이상으로 인출하는 것이 가능하다.
그렇지만, 상기 종래의 실리콘판 또는 실리콘 박판을 제조하는 방법이나 장치에는, 이하와 같은 문제가 있다.
일본국 특개평 제6-64913호 공보에 개시된 실리콘 등의 다결정 물체의 주조법에 있어서는, 다결정 실리콘 잉곳에 대한 슬라이스 공정이 필요하게 되기 때문에, 와이어나 내주인(inner diameter blade)의 두께분만큼 슬라이스 로스가 생기게 된다. 그 때문에, 전체로서의 수율이 나빠지고, 결과적으로 낮은 가격의 웨이퍼를 제공하는 것이 곤란하게 된다.
일본국 특개소 제61-275119호 공보에 개시된 실리콘 리본의 제조 방법에 있어서는, 회전냉각체가 수냉 또는 공냉에 의한 냉각 기구를 내장하기 때문에, 회전 냉각체는, 열전도성이 좋은 동 등으로 이루어지는 수냉 금속체의 외측을 세라믹으로 이루어지는 내화물로 덮은 2층 구조로 된다. 상기 금속체는, 냉각 방식이나, 실리콘을 응고시키기 위해 필요한 냉각 효율을 만족시키는 열전도율 등에 따라, 사용할 수 있는 재질이 제한된다. 특히 수냉 방식을 사용한 경우, 냉각수를 내부에 도통시키기 때문에, 내수성이나 기밀성(air-tightness)을 필요로 한다. 그 때문에, 상기와 같이, 사용할 수 있는 재질은 산화되기 어려운 고강도의 금속으로 제한된다. 실리콘을 성장시키는 내화물에 관해서도, 용융실리콘에 직접 침지하여, 표면에 실리콘 리본을 성장시키기 때문에, 고온에서 고강도인 것이 필요하다. 또한, 용융실리콘 및 실리콘 리본에 불순물이 확산하는 것을 막는 것이 필요하다. 그 때문에, 사용 가능한 재질이 제한된다. 이와 같이, 회전 냉각체의 재질이 제한되기 때문에, 박판을 성장시키기 위해서 필요한 성장면의 온도 제어를 행하기 위해서는, 냉각 능력을 변화시킬 필요가 있다.
그러나, 예컨대 수냉에 의한 냉각 방식을 사용하는 경우, 냉각수의 비등이나고압에 의한 부재 파손을 막기 위해서, 냉각수 유량을 대폭적으로 변경하는 것은 곤란하다. 또한, 냉각수에 의한 냉각 효율이 높기 때문에, 회전 냉각체의 온도가 필요 이상으로 저온으로 된다. 그 때문에, 성장면의 온도 제어가 곤란하게 된다.
공냉을 사용한 경우, 냉각 가스 유량을 대폭적으로 변화시키는 것이 가능하여, 온도 제어는 비교적 용이하다. 그러나, 융점이 1400℃ 이상인 용융실리콘을 응고시키기 위해 필요한 냉각 능력을 만족시키기 위해서는, 대유량의 냉각 가스를 필요로 한다. 그 때문에, 냉각 가스나, 그에 따른 배관, 공급 수단 등의 유틸리티가 고비용, 대규모로 된다.
냉각 능력을 변경하지 않고, 회전 냉각체의 온도를 제어하기 위해서는, 회전냉각체의 두께를 변경함으로써 제어하는 것이 가능하다. 그러나, 예컨대 온도를 보다 낮게 하는 경우, 두께를 대폭적으로 얇게 할 필요가 있어, 회전냉각체의 강도가 손상된다. 반대로, 온도를 높게 하는 경우는, 두께를 대폭적으로 두껍게 할 필요가 있어, 장치가 대규모로 된다.
일본국 특개평 제10-29895호 공보에 개시된 실리콘 박판의 제조 방법에 있어서는, 회전 냉각체는, 흑연으로 이루어지는 회전 냉각체의 표면을, 고내열성·고강도이고, 또한 용융실리콘 및 실리콘 리본에 불순물이 확산하는 것을 막으며, 또한 실리콘과의 습윤성(wettability)이 나쁜 질화규소 등으로 얇게 덮은 2층 구조로 이루어진다. 표면의 1층은 회전 냉각체에 완전히 접착되어 있기 때문에, 그 두께는 매우 얇아도 상관없다. 그 때문에, 회전냉각체의 온도는 대부분 흑연의 열전도에 기인한다. 이 회전 냉각체의 재질을 변경함으로써, 회전 냉각체의 열전도율을 변화시키는 것은 가능하지만, 상기와 마찬가지로, 강도, 불순물 확산 방지, 내열성의 관점에서 사용할 수 있는 재질이 제한된다. 그 때문에, 박판을 성장시키기 위해서 필요한, 성장면의 온도 제어를 행하기 위해서는, 냉각 능력을 변화시킬 필요가 있지만, 상기와 마찬가지로, 수냉의 경우는 냉각수를 변화시키는 것이 곤란하고, 공냉의 경우도 냉각 가스를 대폭적으로 변경하는 경우는 장치가 대규모, 고비용으로 된다.
본 발명은, 금속 재료 또는 반도체 재료를 포함하는 융액으로 결정 박판을 제조하는 방법 및 이 결정 박판을 사용한 태양전지에 관한 것이다.
도1은, 본 발명에 있어서의 제1∼제3 실시예에 의한 실리콘 박판 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도2는,본 발명에 있어서의 작용예에 의한 실리콘 박판 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도3은, 본 발명에 있어서의 작용예에 의한 실리콘 박판 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도4는, 본 발명에 있어서의 제4 실시예에 의한 실리콘 박판 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도5는, 본 발명에 있어서의 제5 실시예에 의한 실리콘 박판 제조 방법을 도시하는 도면이다.
도6은, 중간층의 두께를 변경한 때의 베이스 표면의 온도를 나타내는 도면이다.
도7은, 표면층에 카본, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우의, 중간층의 재질을 변경한 때의 베이스 표면의 온도를 나타내는 도면이다.
도8은, 표면층에 카본, 이면층에 동을 사용한 경우의, 중간층의 재질을 변경한 때의 베이스 표면의 온도를 나타내는 도면이다.
본 발명은, 이와 같은 상황을 근본적으로 없애고, 결정 박판을 성장시키는 면의 온도 제어를 용이하게 행하여, 저비용의 결정 박판을 얻는 것을 목적으로 하며, 결정 박판의 제조에 사용하는 베이스(基體) 두께 및/또는 기판을 구성하는 재질의 열전도율을 검토한 결과, 의외로 그들을 조정함으로써 저비용으로 고품질의 결정 박판을 제공할 수 있음을 알아내어 본 발명에 이르렀다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 적어도 2층으로 이루어지고, 일방의 층이 타방의 층과 열전도율이 상이한 재질로 이루어지는 다층 구조 베이스를, 금속 재료 또는 반도체 재료 중 적어도 어느 하나를 함유하는 결정을 형성할 수 있는 물질의 융액에 접촉시키는 동시에, 베이스의 온도를 제어함으로써, 베이스 표면에 상기 결정을 형성할 수 있는 물질의 결정을 성장시켜 결정 박판을 얻는 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 결정 박판의 방법에 의해 제조된 결정 박판이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 결정 박판을 사용하여 제조된 태양전지가 제공된다.
본 발명에서는, 금속 재료 또는 반도체 재료 중 적어도 어느 일방을 함유하는 결정을 형성할 수 있는 물질(이하, 결정 형성 물질)의 융액에 베이스를 접촉시켜, 베이스 표면에서 결정을 성장시킴으로써 박판을 얻는 것이 가능하다. 이 때, 결정 형성 물질의 융액에 접하기 직전의 베이스 표면의 온도를 제어함으로써, 베이스 표면에 생성하는 결정핵의 밀도와 생성 속도, 결정핵으로부터 성장하는 결정의 성장 속도를 제어하는 것이 가능하여, 따라서 결정성(결정립경(結晶粒徑))이나 판 두께를 제어하는 것이 가능하다.
베이스를 융액과 첩촉시키는 방법으로서는, 베이스 표면(성장면)을 결정형성물질의 융액에 직접 침지시키는 방법이나 베이스 표면에 결정 형성 물질의 융액을 공급하는 방법 등이 고려될 수 있다. 예로서, 가장 단순한 방법인, 베이스 표면을 중력에 대하여 아래쪽으로 향하게 하고, 베이스 표면이 향하고 있는 방향(아래 방향)으로 이동시킴으로써 베이스 표면의 바로 아래에 위치하는 결정 형성 물질의 융액에 베이스 표면을 침지하고, 계속해서 이를 위 방향으로 이동시킴으로써 베이스를 결정형성물질의 융액으로부터 취출하는 방법에 대해서, 작용을 설명한다.
우선, 베이스가 단층 구조인 경우에 대해서, 작용을 나타낸다. 베이스(1)의 구조는, 도2에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각 매체(7)가 통과하는 경로를 제공한 직육면체(3')이다. 냉각 매체(7)는 베이스(1)의 이면(裏面)(33)의 열을 제거하여, 베이스 전체를 냉각한다. 베이스의 재질은, 단일 재질이고, 베이스 표면(22)의 온도를 변경하는 방법으로서는, 냉각 매체(7)의 열을 제거하는 능력을 증감시키는 방법이 있다. 그러나, 상기한 바와 같이, 수냉에 의한 냉각 방식을 사용하는 경우,냉각수 유량을 대폭적으로 변경하는 것은 곤란하다. 한편, 공냉을 사용한 경우,냉각가스 유량을 대폭적으로 변화시키는 것은 가능하지만, 특히 베이스 표면(22)을 저온으로 냉각하기 위해서는, 대유량의 냉각 가스를 필요로 하기 때문에, 냉각 가스나, 그에 따른 배관, 공급 수단 등의 유틸리티가 고비용, 대규모로 된다.
다음, 베이스의 두께(베이스 표면(22)으로부터 이면(33)까지의 거리)를 변 경함으로써 표면 온도를 대폭적으로 변경하는 방법에서는, 베이스 표면(22)의 온도는 두께에 거의 비례하기 때문에, 베이스의 두께를 대폭적으로 변경할 필요가 있다. 그런데, 베이스의 두께는, 장치상의 문제나 강도의 문제때문에 대폭적으로 변 경하는 것이 불가능한 것이 많기 때문에, 베이스의 두께 변경에 의한 온도 제어는 곤란하다. 베이스(1)의 재질을 변경하여, 열전도율을 변경하는 것에 의한 베이스 표면의 온도의 제어 방법에서는, 베이스의 열전도율을 미세하게 변경하는 것은 불가능하다. 이에 더하여, 결정 형성 물질의 융액(5)에 침지하는 베이스 표면(22)에 요구되는, 내열성이 뛰어나고, 사용 압력을 견딜 수 있고, 또한 결정 박판을 오염시키지 않는 것이란 요건과, 냉각 방식에 의한 요건, 특히 수냉 방식의 경우, 사용 수압을 견딜 수 있고, 또한 내수성이라고 하는 요건의 양방을 만족한 재질이라고 하는 제한을 받기 때문에, 표면의 온도 제어는 곤란하다. 또, 도면내에서 6은 도가니를 의미한다.
다음, 베이스가 2층 구조인 경우에 대해서, 작용을 나타낸다. 도3에 도시된 바와 같이, 베이스(1)의 구조는, 내부에 냉각 매체(7)가 통과하는 경로를 제공한 직육면체형의 이면층(3)에 베이스 표면(22)(성장면)을 구성하는 재질로 이루어지는표면층(2)을 배치한 것이다. 이면층(3)의 재질은, 상기한 바와 같이, 냉각 방식 등에 의해 제한된다. 표면층(2)의 재질도, 내열성이나 불순물 오염 방지의 관점에서 제한을 받는다. 그러나, 이 경우는, 상기 단층 베이스의 경우와는 달리, 2종류의 열전도율을 가지는 베이스(1)를 사용하는 것이 가능하다. 표면층(2)과 이면층(3)의 열전도율 중, 높은 쪽의 열전도율을 ka, 낮은 쪽을 kb로 한다. 만약, 표면층(2)과 이면층(3)의 두께에 제한이 없는 경우, 표면층(2)의 두께는 0 mm∼베이스의 두께까지 변화할 수 있다. 이 때, 베이스의 두께를 변경하지 않는다고 하면, 이면층(3)의 두께는 베이스의 두께∼O mm까지 변화하게 된다. 다층 구조의 베이스 전체의 외관의 열전도율(K)은, 각 층(i)의 열전도율(여기서는, 열전도율의 온도에 의한 변화는 무시한다)을 ki, 두께를 Li라고 하면,
1/K =∑(Li/ki) 단, ∑Li = 베이스의 두께‥‥‥(수 1)
의 식에서 개산(槪算)할 수 있다. 이 식이 나타내는 바와 같이, 2층 베이스의 외관의 열전도율은, kb∼ka의 범위로 된다. 실제는, 표면층(2), 이면층(3) 모두, 각 층의 강도나 제법에 따라, 두께에 제한을 받기(최소 두께, 최대 두께가 정해진다) 때문에, 베이스의 외관의 열전도율은, kb∼ka보다 좁은 범위로 된다. 그러나, 이와 같이, 표면층과 이면층의 두께의 비율만을 변경함으로써, 베이스의 두께를 변경하지 않고도 열전도율을 미세하고, 대폭적으로 제어하는 것이 가능하다. 도면내에서 23은 표면층(2)과 이면층(3)의 계면를 의미한다.
다음, 베이스가 3층 이상의 다층 구조인 경우에 대해서 설명한다. 도1에 도시된 바와 같이, 베이스(1)의 구조는, 내부에 냉각 매체(7)가 통과하는 경로를 제공한 직육면체형의 이면층(3)과 베이스 표면(22)(성장면)을 구성하는 재질로 이루어지는 표면층(2) 사이에, 중간층(4)을 배치한 것이다. 이면층(3)의 재질은, 상기와 같이, 냉각 방식 등에 의해 제한된다. 표면층(2)의 재질도, 내열성이나 불순물 오염 방지의 관점에서 제한을 받는다. 중간층(4)은, 불순물 오염이나 내수성 등의 제한을 받지 않기 때문에, 비교적 자유롭게 재질을 변경하여, 열전도율을 바꾸는 것이 가능하다. 도면내에서 24와 34는 표면층(2)과 중간층(4)의 계면, 중간층(4)과 이면층(3)의 계면을 의미한다.
중간층(4)을 1층 이상의 다층 구조로 하는 경우, 열전도율의 관점에서, 전체를 총괄한 1층의 중간층으로 가정하는 것이 가능하다. 그 때문에, 다층 구조의 베이스에 관해서는, 표면층(2), 중간층(4), 이면층(3)을 포함하는 3층 구조의 작용을 설명한다. 상기와 마찬가지로, 표면층(2)과 이면층(3)의 열전도율 중, 높은 쪽의 열전도율을 ka, 낮은 쪽을 kb라고 한다. 다층중간층의 전체의 열전도율은, (수 1)의 식에서 개산(槪算)할 수 있기 때문에, 중간층(4)의 층수에 관계없이, 중간층의 열전도율을 kc라고 한다. 다층중간층(4) 중 적어도 1층이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 양방의 열전도율 이상의 값인 경우, 각 층의 두께를 적절하게 결정함으로써, (수 1)로부터 계산할 수 있는 바와 같이, 중간층(4)의 전체의 열전도율(kc)을 ka 이상으로 하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 다층중간층(4) 중 적어도 1층이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 양방의 열전도율 이하의 값인 경우, (수 1)로부터 계산할 수 있는 바와 같이, kc를 kb 이하로 하는 것이 가능하다. 또한, 표면층(2)에 접하고 있는 중간층(3)에 열전도율이 높은 재질을 배치하는 것은, 표면층(2)의 열전도율이낮은 경우에 일어나기 쉬운 베이스 표면(22)의 면내 온도 분포를 감소시키는 효과도 있다.
중간층(4)의 열전도율(kc)이, 표면층(2)의 열전도율과 이면층(3)의 열전도율 사이의 값인 경우(kb < kc < ka), 각 층의 두께를 변화시키지 않는 경우에도, 중간층의 열전도율(kc)(요컨대, 중간층의 재질)을 상기 범위내에서 변경하는 것만으로, 베이스 전체의 열전도율을 kb∼ka의 범위내에서 미세하게 조정하는 것이 가능하다.
중간층(4)의 열전도율(kc)이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 양방의 열전도율 이상의 값인 경우(ka<kc), 각 층의 두께를 변화시킨 때의 베이스 전체의 열전도율은 kb∼kc의 범위로 되어, 2층 구조로는 실현불가능한 범위(kb 이하 및 ka 이상)의 열전도율을, 3층 구조를 사용함으로써 실현하는 것이 가능하게 된다.
중간층(4)의 열전도율(kc)이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 양방의 열전도율 이하의 값인 경우(kb>kc), 각 층의 두께를 변화시킨 때의 베이스 전체의 열전도율은 kc∼ka의 범위로 되어, 2층 구조로는 실현 불가능한 범위(kb 이하 및 ka 이상)의 열전도율을, 3층 구조를 사용함으로써 실현하는 것이 가능하게 된다.
베이스 표면(22)에 결정 형성 물질의 융액(5)를 접촉시켜 결정 박판을 성장시키는 경우, 결정 형성 물질의 융액에 접하기 직전의 베이스 표면(22)의 온도를 제어함으로써, 베이스 표면(22)에 생성하는 결정핵의 밀도와 생성 속도, 결정핵으로부터 성장하는 결정의 성장 속도를 제어하는 것이 가능하다. 베이스 표면의 온도를 결정 형성 물질의 융점에 비해 대단히 낮게 설정한 경우, 베이스 표면에 생성하는 결정핵의 밀도와 결정의 성장 속도는 증가한다. 그 때문에, 결정 박판의 판 두께는, 베이스 표면의 온도를 낮게 함에 따라, 두꺼워진다. 베이스 표면의 온도를 결정 형성 물질의 융점 근방 부근의 고온으로 설정한 경우, 베이스 표면에 생성하는 결정핵의 밀도와 결정 성장 속도는 감소한다. 그 때문에, 결정 박판의 판 두께는, 베이스 표면의 온도를 높게 함에 따라, 얇아진다. 단, 전면 성장하기 어려워지고, 베이스(1)와 융액(5)이 화학반응을 일으키기 쉬워진다. 베이스의 재질, 융액과의 습윤성(wettability), 결정 형성 물질의 종류에 따라 온도 조건은 상이하지만, 결정핵이 생성되는 속도와, 결정핵으로부터 결정이 성장하는 속도 중 어느 쪽이 빠른지에 따라 결정립(結晶粒)의 입경(粒徑)을 제어하는 것이 가능하다. 즉, 상기와 같이, 베이스를 다층 구조로 하는 것, 각 층의 두께를 변경하는 것, 각 층의 재질을 변경하는 것으로, 베이스 표면의 온도를 제어함으로써, 결정성(결정립의 입경), 판 두께를 제어할 수 있기 때문에, 목적에 따른 박판을 용이하게 얻는 것이 가능하다.
특히, 상기 방법을 이용해서, 실리콘 박판을 취출하여, 다결정 태양전지
를 제조하는 경우, 실리콘 박판의 판 두께는 얇고, 결정립경은 큰 쪽이, 태양전지의 광전 변환 효율이 증가하기 때문에, 바람직하다. 이 경우, 베이스의 두께나 표면층의 재질을 변경하지 않더라도, 이면층, 중간층의 재질을 변경함으로써, 목적의 실리콘 박판을 얻을 수 있어, 태양전지의 변환 효율을 향상시키는 것이 가능하다.
실시예
본 발명을 실시예에 의해 설명하지만, 본 발명은, 이에 의해 한정되지 않는다. 본 실시예에서는, 결정 형성 물질의 융액을 베이스 표면에 접촉시킴으로써, 결정 형성 물질의 단결정 또는 다결정 박판을 제조하는 것이 가능하다. 결정 형성 물질의 융액에는, 실리콘, 게르마늄, 갈륨, 비소, 인듐, 인, 붕소, 안티몬, 아연, 주석 등의 반도체 재료를 포함한다. 또는, 알루미늄, 니켈, 철 등 금속 재료를 포함하는 융액도 사용할 수 있다. 이들 결정 형성 물질은, 2종 이상 혼합하여도 좋다. 본 실시예에서는, 실리콘 융액으로 실리콘 다결정 박판의 제조를 행하였다.
(실시예 1)
실시예 1은, 도1에 도시된 바와 같이, 베이스 표면(22)을 중력에 대하여 아래쪽으로 향하게 하고, 베이스 표면(22)이 향하고 있는 방향(아래 방향)으로 베이스(1)를 이동시킴으로써 베이스 표면(22) 바로 아래에 위치하는 실리콘 융액(5)에 베이스 표면(22)을 침지하고, 계속해서 이를 위 방향으로 이동시킴으로써 결정 박판이 형성된 베이스 표면(22)을 실리콘 융액으로부터 취출하는 방법이다.
본 실시예에서는, 베이스의 온도 제어는, 냉각수(냉각 매체)를 순환시켜 베이스의 이면의 열을 제거함으로써 냉각하는 수냉 방식을 사용하고 있지만, 냉각 매체는 기체로 하는 것도 가능하다.
베이스(1)의 구조는, 3층 구조로 하지만, 중간층(4)을 표면층(2) 또는 이면층(3)과 일체화하여 재질을 같게 함으로써 2층 구조의 검토를 행하는 것이 가능하다.
본 실시예에서는, (1) 표면층 및 이면층의 양방보다 낮은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스, (2) 표면층과 이면층 중 열전도율이 작은 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (3) 표면층과 이면층 중 열전도율이 큰 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (4) 표면층 및 이면층의 양방보다 높은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스의 4 조건의 베이스(1)를 준비하여, 실리콘 박판(결정 박판)을 성장시켰다. 베이스(1) 전체의 열전도율은, (1)이 가장 낮고, (4)가 가장 높다. 표면층(2), 중간층(4), 이면층(3)의 두께는 각각, 10 mm, 5 mm, 10 mm로 하였다.
(1)∼(4)를 통하여, 표면층(2)은, 재질로서는 내열성이 뛰어나고, 사용압력을 견딜 수 있고, 또한 실리콘 박판을 오염시키지 않는 것으로서, 카본이나 세라믹(탄화 규소, 질화 붕소, 질화 규소, 붕화 규소, 석영, 알루미나 등의 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물), 고융점 금속(니켈, 백금, 몰리브덴 등을 적어도 1종류 이상 포함하는 금속)이 요망된다. 또한, 이들에 고융점 재료의 박막을 피복한 표면층도 사용 가능하지만, 박막의 막 두께는 표면층 두께에 비하여 충분히 얇기 때문에, 열전도율에 관해서는 무시하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 카본을 사용하였다. 이면층(3)은, 냉각수가 증발하는 것을 방지하기 위해 압력을 걸어서 냉각수를 순환시키는 것, 베이스를 실리콘 융액에 침지하고, 취출하는 동작을 행할 필요가 있는 것 등 때문에, 강도, 내수성이 강한 재질로서, 스테인레스강이나 동 등의 재질이 요망된다. 본 실시예에서는, 표 1의 (1)∼(4)를 통하여, 이면층(3)에 열전도율은 낮지만 강도가 높은 스테인레스강을 사용한 경우와, 열전도율이 높은 동을 사용한 경우의 2가지에 대하여 검토하였다.
중간층(4)은, 재질을 변경함으로써 여러가지의 열전도율을 선택하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는, (2)의 경우, 중간층은, 표면층이 카본이고 중간층이 스테인레스강인 경우는 이면층(스테인레스강)과, 이면층이 동이고 중간층이 카본인 경우는 표면층(카본)과 일체화되어 있다. (3)의 경우, 중간층은, 이면층이 스테인레스강이고 중간층이 카본인 경우는 표면층(카본)과, 표면층이 카본이고 중간층이 동인 경우는 이면층(동)과 일체화되어 있다. (1)의 경우, 카본, 스테인레스강 및 동보다 열전도율이 낮은 석영을 중간층의 재질로 하였다. (4)의 경우, 이면층이 스테인레스강이고 표면층이 카본인 경우는 카본 및 스테인레스강보다 열전도율이 높은 알루미늄을, 이면층이 동이고 표면층이 카본인 경우는 카본 및 동보다 열전도율이 높은 은을 중간층의 재질로 하였다. 이와 같이 각 층의 재질을 설정함으로써, 베이스 전체의 열전도율은, (1)에서 (4)의 순서로 높아진다.
표 1
이면층이 스테인레스강인 경우의 베이스 구조 이면층이 동인 경우의 베이스 구조
표면층의 재질 중간층의 재질 이면층의재질 표면층의재질 중간층의 재질 이면층의재질
(1) 카본 석영 스테인레스강 카본 석영 동
(2) 카본 스테인레스강 스테인레스강 카본 카본 동
(3) 카본 카본 스테인레스강 카본 동 동
(4) 카본 알루미늄 스테인레스강 카본 은 동
표 1은 본 발명에 있서의 실시예 1에 의한 실리콘 박판 제조 방법의 베이스 표면층, 중간층, 이면층의 재질을 나타낸다. 이들 조합 이외에 상기 표면층의 재질, 이면층의 재질, 중간층의 재질의 각종 조합이 가능하다.
다층 구조의 베이스의 각 층을 접속, 일체화하는 방법으로서는, 예컨대 나사 등으로 고정하는 등, 기계적으로 접속하는 방법이 고려될 수 있다. 베이스 전체의열전도율을 저하시키고 싶은 경우, 각 층 계면에 요철 가공, 홈 가공을 함으로써, 각 층끼리의 접촉 면적을 감소시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 각 층 계면에 공극이 형성되는 것에 의해, 각 층 사이의 열전달이 감소함으로써, 베이스 전체의 열전도율을 저하시키는 것이 가능하다. 베이스 전체의 열전도율을 향상시키고 싶은 경우, 각 층 계면은 가능한 한 평탄하게 하여, 각 층끼리의 접촉 면적을 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 각 층 사이의 열전달을 향상시키는 방법으로서는, 베이스를 다층 구조로 적층한 후, 열을 가하는 등의 방법으로, 각 층을 화학적으로 접속하는 방법이 바람직하다. 본 실시예에서는, 베이스의 측면에 일체화용의 접속부를 제공하고, 나사에 의해 각 층을 접속하였다(도시 안됨).
베이스 표면(22)의 형상은, 평면이나 곡면, 점이나 선 형상, 평면 형상의 정점(頂点)을 갖는 홈 가공된 면 등, 목적에 따른 형상으로 하는 것이 가능하지만, 본 실시예에서는 평면으로 하였다.
베이스 표면 바로 아래에, 도가니(6)와, 도가니(6)의 주위에 실리콘을 용융하는 가열 히터를 배치한다. 이들은 직육면체의 장치 외벽 및 단열재의 속에 수납되어 있다(도시 안됨). 장치 내부는, 단열재에 의해 둘러 싸여, 내부를 아르곤 가스 분위기중에서 유지 가능하게 시일(seal)되어 있다.
히터에 의하여 도가니(6)를 가열하여, 도가니(6)내의 실리콘을 용융한 후, 베이스(1)를 실리콘 융액(5) 바로 위에 유지시켜 안정시킨 후, 베이스 표면(22)에 설치한 열전대(thermocouple)(도시 안됨)를 사용하여 베이스 표면의 온도를 측정하였다.
표 2
표 2는, 본 발명에 있어서의 실시예 1에 의한 실리콘 박판 제조시의 베이스 표면의 온도, 제조된 실리콘 박판의 판 두께와 결정립경을 나타내고 있다. 베이스 표면의 온도는, 열전대에 의한 측정 결과이다. 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (2)와 (3)의 표면 온도의 차는, 각각 약 85℃ 및 약 65℃이고, 2층 구조에 있어서도 열전도율을 변화시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 표면층과 이면층의 두께의 비율을 변화시킴으로써, 표면 온도를 제어할 수 있다. 본 실시예에서는, 2층 구조에 관해서는, 표면층, 이면층의 두께는 10 mm의 폭으로 변화시켰지만, 더욱 크게 변화시킴으로써, 상기보다 넓은 범위로 제어하는 것이 가능하다. 다음, 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (1)과 (4)의 표면 온도의 차는, 각각 약 180℃ 및 약 515℃이고, 3층 구조로 함으로써 열전도율을 더욱 크게 변화시키는 것이 가능하게 되어, 표면 온도를 광범위하게 제어할 수 있다. 본 실시예에서는,표면층, 중간층, 이면층의 두께는 고정되지만, 이들을 변화시킴으로써, 베이스의 두께를 변화시키지 않는 경우에도, 2층 구조에 비해 더 넓은 범위에서 표면 온도를 제어하는 것이 가능하다.
다음, 열전대를 설치하고 있지 않은 베이스(1)를 실리콘 융액(5) 바로 위에 유지시켜 안정시킨 후, 실리콘 융액에 20 mm 침지하고, 직후에 끌어올림으로써, 실리콘 박판을 성장시켰다. 분위기의 온도가 실온까지 내려가는 것을 기다려서, 실리콘 박판을 취출한 후, 박판의 판 두께를 측정하였다. 계속해서, 알칼리 에칭에 의해 박판의 결정립계(結晶粒界)를 화상화하고, 박판의 결정립의 평균 입경을 측정하였다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 박판의 판 두께는 표면 온도가 낮아짐에 따라, 두꺼워진다. 결정립경은, 결정핵의 생성 속도와 결정 성장 속도의 균형에 의해 결정되기 때문에, 최대 결정립경을 취하는 표면 온도의 최적치가 존재하지만, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 크게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다. 이면층에 동을 사용한 경우에 있어서는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 작게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다. 본 실시예에 있어서는, 연속 제조를 위한 복잡한 베이스 이동 기구나 박판의 대면적화는 고려하고 있지 않지만, 양산화를 검토하는 경우는, 베이스에 따라 강한 강도를 요구할 필요가 생길 가능성이 커서, 열전도율이 작은 스테인레스강을 사용할 필요도 고려될 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 박판의 제조를 행하였지만, 실리콘 이외의 결정 형성 물질의 박판을 제조하는 경우, 물질에 따라 융액의 융점, 분위기의 온도, 표면 온도, 표면 온도와 박판의 판 두께, 결정립경의 관계는 상이하다. 그 때문에, 본 실시예와 같이, 표면 온도의 제어 범위가 광범위화 됨으로써, 여러가지의 결정 형성 물질의 박판에 대하여, 목적에 대응하는 판 두께, 결정립경을 얻는 것이 가능하게 되었다.
(실시예 2)
실시예 2도, 실시예 1과 마찬가지로, 도1에 도시된 바와 같이, 베이스 표면(22)을 중력에 대하여 아래쪽으로 향하게 하고, 베이스 표면(22)이 향하고 있는 방향(아래 방향)으로 베이스(1)를 이동시킴으로써 베이스 표면(22) 바로 아래에 위치하는 실리콘 융액(5)에 베이스 표면(22)을 침지하고, 계속해서 이를 위 방향으로 이동시킴으로써 결정 박판이 형성된 베이스 표면(22)을 실리콘 융액으로부터 취출하는 방법에 대하여 설명한다.
실시예 1에 있어서는, 표면층, 중간층, 이면층의 두께가 각각 10 mm, 5 mm, 10 mm인 경우에 대해서 설명하였지만, 본 실시예에서는, 베이스 전체의 두께를 25 mm로 고정하고, 중간층의 두께를 변화시킨 경우에 대하여 설명한다. 베이스의 온도 제어는, 냉각수(냉각 매체)를 순환시키면서 베이스의 이면의 열을 제거함으로써 냉각하는 수냉 방식을 사용하고 있지만, 냉각 매체는 기체로 하는 것도 가능하다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, (1) 표면층 및 이면층의 양방보다 낮은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스, (2) 중간층과 표면층과 이면층중 열전도율이 낮은 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (3) 중간층과 표면층과 이면층 중 열전도율이 큰 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (4) 표면층 및 이면층의 양방보다 높은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스의 4 조건의 베이스(1)를 준비하여(표 1 참조), 실리콘 박판을 성장시켰다. 중간층(4)의 두께는, 1 mm∼15 mm의 범위에서 2 mm씩 변화시켰다. 표면층과 이면층의 두께는, 모두 25 mm에서 중간층 두께를 뺀 값의 반으로 하고, 베이스 전체의 두께(표면층, 중간층, 이면층의 두께의 합)를 25 mm로 고정하였다. (1)∼(4)를 통하여, 표면층(2)의 재질은 카본으로 하였다. 이면층(3)의 재질은 스테인레스강으로 하였다. 중간층(4)은, (2)의 경우는 이면층과, (3)의 경우는 표면층과 일체화되어 있다. (1)의 경우는 석영을, (4)의 경우는 알루미늄을, 중간층의 재질로 하였다. 베이스 표면의 형상은, 평면(22)으로 하였다. 본 실시예에서는, 나사에 의해 각 층을 접속하였다.
베이스 표면(22) 바로 위에, 도가니(6)와, 도가니(6)의 주위에 실리콘을 용융하는 가열 히터를 배치한다. 이들은 직육면체의 장치 외벽 및 단열재의 속에 수납되어 있다(도시 안됨). 장치 내부는, 단열재에 의해 둘러 싸여, 내부를 아르곤 가스 분위기중에서 유지 가능하게 시일(seal)되어 있다.
히터에 의해 도가니(6)를 가열하여, 도가니(6)내의 실리콘을 용융한 후, 베이스(1)를 회전시키면서 안정시킨 후, 베이스 표면(22)에 설치한 열전대(도시 안됨)를 사용하여 베이스 표면(22)의 온도를 측정하였다.
도6은, (1)∼(4)의 중간층 두께를 변화시킨 경우의 베이스 표면의 온도이다.(2) 및 (3)의 경우가, 2층 구조의 베이스의 표면층/이면층의 두께를 변화시킨 경우이다. (2)와 같이 중간층에 카본을 사용한 경우(2층 구조에 있어서, 표면층 비율이 이면층에 비해 높은 경우)의 중간층 두께 15 mm의 표면 온도는 약 725℃이고, 중간층 두께가 1 mm일 때는 약 885℃이다. (3)과 같이 중간층에 스테인레스강을 사용한 경우(2층 구조에 있어서, 표면층 비율이 이면층에 비해 낮은 경우)의 중간층 두께 1 mm의 표면 온도는 약 900℃이고, 중간층 두께가 15 mm일 때는 약 1000℃이다. 즉, 2층 구조에 있어서, 표면층 및 이면층의 최저 두께를 5 mm로 한 경우, 표면층과 이면층의 두께의 비율을 변화시킴으로써, 약 725℃ 내지 약 1000℃의 범위에서 조정하는 것이 가능하다.
또한, (1)과 같이, 중간층에 열전도율이 낮은 재질을 사용한 경우의, 중간층 두께를 변화시킨 경우의 베이스 표면의 온도는 약 925℃ 내지 약 1165℃의 범위에서 조정이 가능하다. (4)와 같이, 중간층에 열전도율이 높은 재질을 사용한 경우의, 중간층 두께를 변화시킨 경우의 베이스 표면의 온도는 약 675℃ 내지 약 885℃의 범위에서 조정이 가능하다. 즉, 3층 이상의 다층 구조로 함으로써, 베이스 표면의 온도를 약 675℃ 내지 약 1165℃에서, 2층 구조에 비해 보다 넓은 범위를, 조정하는 것이 가능하다.
(실시예 3)
실시예 3도, 실시예 1과 마찬가지로, 도1에 도시된 바와 같이, 베이스 표면(22)을 중력에 대하여 아래쪽으로 향하게 하고, 베이스 표면(22)이 향하고 있는 방향(아래 방향)으로 베이스(1)을 이동시킴으로써 베이스 표면(22) 바로 아래에위치하는 실리콘 융액(5)에 베이스 표면(22)을 침지하고, 계속해서 이를 위 방향으로 이동시킴으로써 결정 박판이 형성된 베이스 표면(22)을 실리콘 융액으로부터 취출하는 방법에 대하여 설명한다.
실시예 1에 있어서는, 중간층(4)의 열전도율이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 열전도율 이상/이하인 경우에 대해서 설명하였지만, 본 실시예에서는, 중간층(4)의 열전도율이, 표면층(2) 및 이면층(3)의 열전도율 중 큰 쪽(ka) 이하이고, 또한 작은 쪽(kb) 이상인 경우, 즉 kb ≤ 중간층의 열전도율 ≤ ka인 경우에 대해서 설명한다. 베이스의 온도제어는, 냉각수(냉각 매체)를 순환시키면서 베이스의 이면의 열을 제거함으로써 냉각하는 수냉 방식을 사용하고 있지만, 냉각 매체는 가스로 하는 것도 가능하다.
베이스(1)의 구조는, 3층 구조로 한다. 본 실시예에서는, 표면층의 재질을 카본으로 하고, 이면층의 재질을 동 또는 스테인레스강으로 하였다. 표면층(2), 중간층(4), 이면층(3)의 두께는 각각,10 mm, 5 mm, 10 mm로 하였다.
중간층의 재질은, 사용 조건에 있어서 융해, 연화(軟化)하지 않는 것 이외의 제한은 없기 때문에, 사용 온도 범위내에서 고체이면 어떠한 재질이라도 사용 가능하다. 예컨대, Ti, Zr, Sb, B, Pt, Fe, Ni, Co, Zn, Mo, Si, Mg, W, Be, Al, Au 등의 고체, 또는 이들을 적어도 1종류 이상 포함하는 화합물, 세라믹, 금속, 수지 등이 사용 가능하다.
본 실시예에서는, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우의 중간층에, 카본과 스테인레스강 사이의 열전도율을 갖는 Ti, Zr, Sb, B, Pt, Fe, Ni, Co, 이면층에동을 사용한 경우의 중간층에, 카본과 동 사이의 열전도율을 갖는 Zn, Mo, Si, Mg, W, Be, Al, Au를 사용하였다. 본 실시예에서는, 베이스의 측면에 일체화용의 접속부를 제공하고, 나사에 의해 각 층을 접속하였다. 베이스 표면(22)의 형상은 평면으로 하였다.
베이스 표면 바로 아래에, 도가니(6)와, 도가니(6)의 주위에 실리콘을 용융하는 가열 히터를 배치한다. 이들은 직육면체의 장치 외벽 및 단열재의 속에 수납되어 있다(도시 안됨). 장치 내부는, 단열재에 의해 둘러 싸여, 내부를 아르곤 가스 분위기중에서 유지 가능하게 시일(seal)되어 있다.
히터에 의해 도가니(6)를 가열하여, 도가니(6)내의 실리콘을 용융한 후, 베이스(1)를 실리콘 융액(5) 바로 위에 유지시켜 안정시킨 후, 베이스 표면(22)에 설치한 열전대(도시 안됨)를 사용하여 베이스 표면의 온도를 측정하였다.
도7은, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우의, 열전대에 의한 베이스 표면의 온도의 측정 결과이다. 예컨대, 이면층의 두께를 10 mm로 고정한 경우, 2층 구조의 경우는 중간층이 카본(C)인 경우와 같아지고, 표면 온도는 약 850℃이다. 표면층을 10 mm로 고정한 경우, 2층 구조의 경우는 중간층이 스테인레스강(SUS)인 경우와 같아지고, 표면온도는 약 940℃이다. 베이스 전체의 두께를 변경하지 않고, 베이스 표면의 온도를 850℃∼940℃의 범위에서 미세하게 설정하고자 하면, 표면층과 이면층의 두께를 양쪽 모두 변화시킬 필요가 있지만, 결정 박판을 성장시키는 표면층이나, 가동부나 냉각 매체 통로와 일체화되어 있는 이면층의 두께를 변경하는 것은 곤란한 경우가 많다. 그래서, 표면층과 이면층의 두께를 변화시키지 않고,중간층의 재질만을 변화시킨 경우, 베이스 표면의 온도는 850℃∼940℃의 범위에서 미세하게 조정 가능한 것을 알았다.
도8은, 이면층에 동을 사용한 경우의, 열전대에 의한 베이스 표면의 온도의 측정 결과이다. 예컨대, 이면층의 두께를 10 mm로 고정한 경우, 2층 구조의 경우는 중간층이 카본(C)인 경우와 같아지고, 표면 온도는 약 400℃이다. 표면층을 10 mm로 고정한 경우, 2층 구조의 경우는 중간층이 동(Cu)인 경우와 같아지고, 표면 온도는 약 330℃이다. 상기와 마찬가지로, 표면층과 이면층의 두께를 변화시키지 않고, 중간층의 재질만을 변화시킨 경우, 베이스 표면의 온도는 330℃∼400℃의 범위에서 미세하게 조정 가능한 것을 알았다.
(실시예 4)
실시예 4의 방법은, 도4에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각 매체(7)가 통과하는 중공(中空) 원통형의 3층 베이스(1)를 회전시키고, 베이스 표면에 직접 실리콘 융액(5)을 유입함으로써, 베이스 표면(22)에 실리콘 박판을 성장시키는 방법이다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, 수냉 방식을 사용하였다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, (1) 표면층 및 이면층의 양방보다 낮은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스, (2) 중간층과 표면층과 이면층 중 열전도율이 작은 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (3) 중간층과 표면층과 이면층 중 열전도율이 큰 쪽의 층과 중간층이 일체화 된 2층 베이스, (4) 표면층 및 이면층의 양방보다 높은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스의 4 조건의 베이스(1)를 준비하여(표 1 참조), 실리콘 박판을 성장시켰다. 표면층(2),중간층(4), 이면층(3)의 두께는 각각, 10 mm, 5 mm, 10 mm로 하였다. (1)∼(4)를 통하여, 표면층(2)의 재질은 카본으로 하였다. 이면층(3)은, 스테인레스강과 동을 사용한 경우의 2가지에 대해서 검토하였다. 중간층(4)은, (2)의 경우는, 이면층이 스테인레스강인 경우는 이면층과, 동인 경우는 표면층과 일체화되어 있다. (3)의 경우는, 이면층이 스테인레스강인 경우는 표면층과, 동인 경우는 이면층과 일체화되어 있다. (1)의 경우는 석영을, (4)의 경우는, 이면층이 스테인레스강인 경우는 알루미늄을, 동인 경우는 은을, 중간층의 재질로 하였다. 베이스 표면의 형상은, 평탄한 원통 측면(22)으로 하였다.
베이스 표면(22) 바로 위에, 도가니(6)와, 도가니(6)의 주위에 실리콘을 용융하는 가열 히터를 배치한다. 이들은 직육면체의 장치 외벽 및 단열재의 속에 수납되어 있다(도시 안됨). 장치 내부는, 단열재에 의해 둘러 싸여, 내부를 아르곤 가스 분위기중에서 유지 가능하게 시일(seal)되어 있다.
히터에 의해 도가니(6)를 가열하여, 도가니(6)내의 실리콘을 용융한 후, 베이스(1)를 회전시키면서 안정시킨 후, 베이스 표면(22)에 설치한 열전대(도시 안됨)를 사용하여 베이스 표면(22)의 온도를 측정하였다.
표 3
표 3은, 본 발명에 있어서의 제4 실시예에 의한 실리콘 박판 제조 방법의 베이스 표면의 온도, 실리콘 박판의 판 두께와 결정립경을 나타내고 있다. 베이스 표면의 온도는, 열전대에 의한 측정 결과이다. 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (2)와 (3)의 표면 온도의 차는, 각각 약 95℃ 및 약 65℃이었다. 이에 대하여, 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (1)과 (4)의 표면 온도의 차는, 각각 약 175℃ 및 약 505℃이었다. 그 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 3층 구조로 함으로써, 열전도율을 더욱 크게 변화시키는 것이 가능해져, 표면 온도를 광범위하게 제어할 수 있는 것이 가능하게 되었다.
다음, 열전대를 설치하고 있지 않은 베이스(1)를 회전시키면서 실리콘 융액(5), 도가니(6) 바로 아래에 유지시켜 안정시킨 후, 도가니(6)를 경사이동시킴으로써 실리콘 융액(5)을 베이스 표면(22)에 유입하고, 1회전한 후에 실리콘융액(5)의 주탕(注湯)을 종료함으로써, 실리콘 박판을 베이스 표면 전체에 성장시켰다. 분위기의 온도가 실온까지 내려가는 것을 기다려서, 실리콘 박판을 취출한 후, 박판의 판 두께, 평균 입경을 측정하였다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 박판의 판 두께는 표면 온도가 낮아짐에 따라, 두꺼워진다. 실시예 1과 마찬가지로, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 크게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다. 이면층에 동을 사용한 경우에 있어서는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 작게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다.
(실시예 5)
실시예 5의 방법은, 도5에 도시된 바와 같이, 내부에 냉각 매체(7)가 통과하는 중공 원통형의 3층 베이스(1)를 회전시키고, 베이스 표면을 향하여 실리콘 융액(5)이 충전되어 있는 도가니(6)를 밀어 올림으로써 회전하는 베이스를 실리콘 융액에 침지하여, 베이스 표면에 실리콘 박판을 성장시키는 방법이다.
본 실시예에서는, 실시예 1과 마찬가지로, (1) 표면층 및 이면층의 양방보다 낮은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스, (2) 중간층과 표면층과 이면층 중 열전도율이 작은 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (3) 중간층과 표면층과 이면층 중 열전도율이 큰 쪽의 층과 중간층이 일체화된 2층 베이스, (4) 표면층 및 이면층의 양방보다 높은 열전도율을 가지는 중간층을 갖는 3층 베이스의 4 조건의 베이스(1)를 준비하여(표 1 참조), 실리콘 박판을 성장시켰다. 표면층, 중간층, 이면층의 두께는 각각, 10 mm, 10 mm, 5 mm로 하였다. (1)∼(4)를 통하여, 표면층의 재질은 카본으로 하였다. 이면층은, 스테인레스강과 동을 사용한 경우의 2가지에 대해서 검토하였다. 중간층은, (2)의 경우, 이면층이 스테인레스강인 경우는 이면층과, 동인 경우는 표면층과 일체화되어 있다. (3)의 경우, 이면층이 스테인레스강인 경우는 표면층과, 동인 경우는 이면층과 일체화 되어 있다. (1)의 경우는 석영을, (4)의 경우는, 이면층이 스테인레스강인 경우는 알루미늄을, 동인 경우는 은을, 중간층의 재질로 하였다. 베이스 표면의 형상은, 평탄한 원통 측면(22)으로 하였다.
베이스 표면(22) 바로 아래에, 도가니(6)와, 도가니(6)의 주위에 실리콘을 용융하는 가열 히터를 배치한다. 이들은 직육면체의 장치 외벽 및 단열재의 속에 수납되어 있다(도시 안됨). 장치 내부는, 단열재에 의해 둘러 싸여, 내부를 아르곤 가스 분위기중에서 유지 가능하게 시일(seal)되어 있다.
히터에 의하여 도가니(6)를 가열하여, 도가니(6)내의 실리콘을 용융한 후, 베이스(1)를 회전시키면서 안정시킨 후, 베이스 표면(22)에 설치한 열전대(도시 안됨)를 사용하여 베이스 표면(22)의 온도를 측정하였다.
표 4
표 4는, 본 발명에 있어서의 제5 실시예에 의한 실리콘 박판 제조 방법의 베이스 표면의 온도, 실리콘 박판의 판 두께와 결정립경을 나타내고 있다. 베이스 표면의 온도는, 열전대에 의한 측정 결과이다. 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (2)와 (3)의 표면 온도의 차는 약 85℃ 및 약 65℃이었다. 또한, 이면층에 스테인레스강 및 동을 사용한 경우의 (1)과 (4)의 표면 온도의 차는 약 180℃ 및 약 515℃이었다. 그 때문에, 실시예 1과 마찬가지로, 3층 구조로 함으로써, 열전도율을 더욱 크게 변화시키는 것이 가능하게 되어, 표면 온도를 광범위하게 제어할 수 있는 것이 가능하게 되었다.
다음, 열전대를 설치하고 있지 않은 베이스(1)를 회전시키면서 실리콘 융액(5) 바로 위에 유지시켜 안정시킨 후, 도가니(6)를 상승시켜, 베이스(1)를 실리콘 융액(5)에 20 mm 침지하고, 1회전한 후에 도가니(6)를 끌어내림으로써, 실리콘 박판을 성장시켰다. 분위기의 온도가 실온까지 내려가는 것을 기다려서, 실리콘 박판을 취출한 후, 박판의 판 두께, 평균 입경을 측정하였다.
표 4에 나타낸 바와 같이, 박판의 판 두께는 표면 온도가 낮아짐에 따라, 두꺼워진다. 실시예 1과 마찬가지로, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 크게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다. 이면층에 동을 사용한 경우에 있어서는, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 열전도율에 비해 작게 설정함으로써, 결정립경이 큰 실리콘 박판을 얻는 것이 가능하다.
(실시예 6)
실시예 1, 4, 5에 의해 제조된 실리콘 박판을 사용하여, 태양전지를 제작하였다. 제작 순서의 일례는, 세정, 텍스쳐(texture) 에칭, 확산층 형성, 산화막 제거, 반사 방지막 형성, 백 에칭, 이면 전극 형성, 수광면 전극 형성의 순서로, 일반적인 방법이다.
표 5
표 5는 실리콘 박판 제조 방법에 의해 제조된 실리콘 박판을 사용한 태양전지의 특성을, 솔라 시뮬레이터(solar simulator)에 의하여 측정한 결과를 나타낸다. 실시예 1, 4, 5의 (2), (3)과 같이, 2층 구조의 베이스를 사용한 경우의 태양전지의 변환 효율은, 평균적으로 9.5%, 최고 14.1%이었지만, (1)과 같이, 이면층에 스테인레스강을 사용한 경우에 있어서는, 중간층의 재질을, 표면층 및 이면층의 재질에 비해 열전도율이 높은 재질로 함으로써, 평균 14.5%, 최대 14.7%까지 향상하였다. 또한, 이면층에 동을 사용한 경우, 중간층의 재질을, 표면층 및 이면층의 재질에 비해 열전도율이 낮은 재질로 함으로써, 평균 14.5%, 최대 14.6%까지 향상하였다. 이와 같이, 이면층이나 표면층의 재질 등에 따라서, 중간층의 열전도율을 표면층 및 이면층의 재질에 비해 높게, 또는 낮게 설정하는 것에 의해, 표면 온도를 변화시킴으로써, 결정립경을 제어하는 것이 가능해졌기 때문에, 베이스 표면의 온도를 용이하게 태양전지 특성에 있어서 가장 좋은 온도 조건으로 설정하는 것이 가능하게 되어, 태양전지 특성을 대폭적으로 개선할 수 있었다.
이상으로부터 분명하듯이, 실시예 1∼5에 의한 본 발명에 의하면, 결정 형성 물질의 박판을 성장시키는 베이스를, 3층 이상의 다층 구조로 하고, 각 층의 재질을 선정함으로써, 이면층 및 표면층의 재질이 결정 형성 물질과 장치에 의해 제한되는 경우에도, 베이스의 크기 및 장치 구성을 변경하지 않고, 베이스 전체의 열전도율을 변경하는 것이 가능하여, 베이스 표면의 온도를 목적에 따른 온도로 설정하는 것이 가능하다. 이에 의해, 목적에 따른 결정립경, 판 두께를 구비한 결정 형성 물질의 결정 박판을 용이하게 얻는 것이 가능하다. 실시예 6에 의한 발명에 의하면, 실시예 1∼5에 의하여 태양전지 등의 전자 부품에 적합한 결정립경이 큰 결정 형성 물질 박판을 제조함으로써, 전자 부품의 특성을 향상시키는 것이 가능하다.

Claims (12)

  1. 적어도 2층으로 이루어지고, 일방의 층이 타방의 층과 열전도율이 상이한 재질로 이루어지는 다층 구조 베이스를, 금속 재료 또는 반도체 재료 중 적어도 어느 하나를 함유하는 결정을 형성할 수 있는 물질의 융액에 접촉시킴과 동시에, 베이스의 온도를 제어함으로써, 베이스 표면에 상기 결정을 형성할 수 있는 물질의 결정을 성장시켜 결정 박판을 얻는 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 베이스는, 표면층과 이면층으로 이루어지는 다층 구조를 가지고, 표면층과 이면층의 재질은, 카본과 스테인레스강 또는 카본과 동의 조합으로 이루어지는 결정 박판의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 베이스는, 표면층, 이면층과 이들에 협지된 적어도 1층 이상의 중간층으로 이루어지는 다층 구조를 가지고, 베이스의 온도 제어는, 표면층 및 이면층의 재질과 열전도율이 상이한 재질로 이루어지는 층을 적어도 1층 이상 포함하는 중간층을 가지는 베이스에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중간층은, 표면층 또는 이면층의 일방에 비해 열전도율이 낮은 재질로 이루어지는 층을 적어도 1층 이상 포함하는 것을 특징으로 하는결정 박판의 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 중간층은, 표면층 또는 이면층의 일방에 비해 열전도율이 높은 재질로 이루어지는 층을 적어도 1층 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 중간층은, 그 전체에서, 표면층 또는 이면층의 일방에 비해 열전도율이 낮은 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 중간층은, 그 전체에서, 표면층 또는 이면층의 일방에 비해 열전도율이 높은 것을 특징으로 하는 결정 박판의 제조 방법.
  8. 제3항에 있어서, 표면층, 중간층 및 이면층의 재질은, 카본, 석영 및 스테인레스강의 조합, 카본, 알루미늄 및 스테인레스강의 조합, 카본, 석영 및 동의 조합, 카본, 은 및 동의 조합으로부터 선택되는 결정 박판의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 베이스의 온도 제어는, 상기 재질의 층 두께를 변경함으로써 행해지는 결정 박판의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 결정을 형성할 수 있는 물질은 실리콘인 결정 박판의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 적어도 어느 하나에 기재된 결정 박판의 제조 방법에 의해 제조된 결정 박판.
  12. 제11항의 결정 박판을 사용하여 제조된 태양전지.
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