KR20090024802A - 반도체용 실리콘의 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양 전지용 실리콘을 포함하는 반도체용 실리콘의 잉곳 제조를 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 여기서 고온 영역 내에 산소의 존재는 용융 및 재결정화 공정의 고온 영역에 산화물이 없는 재료를 사용함으로써 실질적으로 감소 또는 제거된다. 상기 방법은 단결정질 실리콘 결정을 성장시키기 위한 브릿지맨 공정, 블록-캐스팅 공정, 및 CZ-공정과 같은, 태양 전지용 실리콘 잉곳을 포함하는 반도체용 실리콘 잉곳을 결정화하는 공정을 포함하는 어떤 공지된 공정에 사용된다. 본 발명은 또한, 고온 영역의 재료가 산화물이 없는 재료로 형성되는, 용융 및 결정질화 공정을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 태양 전지용 실리콘을 포함하는 반도체용 실리콘 잉곳(ingot)의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 세계적인 공급은 이후 십년 간 점차적으로 다 소모되리고 예상된다. 이는 현재의 에너지 소비 및 세계적 에너지 요구에 대한 급속한 증가에 부응하기 위해 수십년 내에 지난 세기 동안 사용되었던 주 에너지원이 대체되어야 함을 의미한다.
또한, 화석 에너지의 사용으로 지구 온실 효과를 위험한 수준으로 증가시키는 것에 많은 관심이 증폭되고 있다. 따라서, 현재의 화석 연료의 소비는 우리의 기후와 환경을 위해 복원 및 지속가능한 에너지원/캐리어에 의해 대체되는 것이 바람직하다.
그러한 에너지원의 하나가 인류 에너지 소비의 예상가능한 증가량을 포함한 현재의 일일 소비량보다 훨씬 많은 에너지로 지구에 조사되는 태양 광이다. 그러나, 태양 전지 에너지는 오늘날까지 너무 고가여서 핵발전, 화력 발전 등에 견줄 수 없다. 이는 태양 전지 에너지의 무한한 잠재력을 실현할 수 있는 변화를 필요 로 한다.
태양 전지 패널로부터 전기를 얻는 비용은 에너지 변환 효율과 태양 전지 패널의 제조 비용에 의존한다. 따라서 태양 전지 에너지에 대한 비용을 감소시키는 하나의 방법은 에너지 변환 효율을 증대시키는 것이다.
오늘날 태양광 발전(PV) 산업에 있어서, PV 분야용 다결정질 웨이퍼는 브릿지맨 방법(Bridgman method)에 기초하여 직접 고화(DS) 방식에 의해 노 내에서 주조되는 잉곳으로부터 절단된다. 이러한 공정에서 주요 관심은 실리콘 천연재료의 순도를 유지하는 것이다. 오염 문제를 유발하는 원소들 중의 두 개는 산소와 탄소이다.
2003년 존 윌리 앤 선즈에 의한 "태양광 과학과 공학 편람"에 따르면, (릴리즈 코팅을 통한 이동을 포함한)용융 금속과 접촉하는 산화물들 또는 산화물 함유 재료는 용융 금속 내에 산소를 유입시키는 문제가 있다고 지적하고 있다. 그 산소는 용융물로부터 증발하는 SiO 가스의 형성을 초래하며, 그 SiO 가스는 계속해서 고온 영역 내의 흑연과 반응하여 CO 가스를 형성한다. CO 가스는 실리콘 용융물로 유입되여서 고상 실리콘의 내측으로 탄소를 유입시킨다. 즉, 고온 영역에서 산화물 또는 산화물 함유 재료의 사용으로 고상 실리콘 내에 탄소와 산소의 유입을 초래하는 일련의 반응이 수행될 수 있다. 브릿지맨 방법과 관련된 통상적인 값은 침입형 산소의 2-6ㆍ1017/㎠이고 치환형 탄소의 2-6ㆍ1017/㎠이다.
실리콘 금속 내의 탄소의 증가는 특히, 잉곳의 최상부 영역 내에 침 상(needle shaped) SiC 결정의 형성을 초래할 수 있다. 이들 침상 SiC 결정은 반도체 전지의 pn 접합을 단락시켜 전지 효율의 급격한 감소를 초래하는 것으로 알려져 있다. 침입형 산소의 증가는 형성된 실리콘 금속의 어닐링 후 산소 편석 및/또는 재결합 활성 산소 복합체를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 실리콘 금속의 탄소 및 산소 오염 문제를 실질적으로 감소/제거한 반도체용 실리콘의 고순도 잉곳의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이후의 본 발명의 상세한 설명 및/또는 청구의 범위에 설정된 특징들에 의해 달성될 수 있다.
본 발명은 실리콘의 탄소 및/또는 산소 오염과 관련된 문제점들이 노의 고온 환원 환경에 산화물 또는 산화물 함유 재료와 결합에 의해 유발됨을 깨닫고, 이에 전기 절연재, 도가니, 하중 지지 구조재 및 열 절연재와 같은 고온 영역 내에 현재 사용되는 재료들이 산화물이 없는 재료로 대체되어야 한다는 것을 기초로 한다.
따라서, 본 발명의 제 1 특징에 따라서, 반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법이 제공되는데; 상기 방법은 반도체용 실리콘 잉곳을 고화하며, 선택적으로 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 이들의 복합물로 형성된 도가니 내에 공급 실리콘 재료의 용융물도 포함하며; 상기 실리콘 잉곳의 결정질화 중에 불활성 분위기를 갖는 밀봉된 고온 영역 내에 상기 도가니를 위치시키며, 선택적으로 상기 공급 실리콘 재료의 용융물도 포함하며; 탄소 및/또는 흑연 재료로 형성되는, 상기 고온 영역 내에 열 절연 소자를 포함하는 하중 지지 건축 요소를 사용하며; 실리콘 질화물인 Si3N4으로 형성되는, 상기 고온 영역 내에 전기 절연 소자를 사용함으로써; 상기 고온 영역 내의 산소의 존재가 실질적으로 감소되거나 제거된다.
본 발명의 제 1 특징에 따른 상기 방법은 단결정질 실리콘 결정의 성장을 위한 브릿지맨 공정 또는 관련 직접 고화 공정, 블록 캐스팅 공정, 또는 CZ-공정과 같은, 태양전지용 실리콘 잉곳을 포함하는 반도체용 실리콘 잉곳을 결정질화하기 위한 어떤 공지의 공정에 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 특징에 따라서, 반도체용 실리콘 잉곳의 제조 장치가 제공되며, 상기 장치는 불활성 분위기를 갖는 고온 영역을 포함하며, 상기 고온 영역 내의 열 절연 소자들을 포함하는 상기 장치의 모든 하중 지지 건축 소자들은 탄소 및/또는 흑연 재료로 형성되며, 상기 고온 영역 내의 전기 절연 소자들은 실리콘 질화물인 Si3N4로 형성되며, 상기 도가니는 실리콘 질화물인 Si3N4나 실리콘 탄화물인 SiC, 또는 이들의 복합물 중의 어느 하나로 형성되며, 선택적으로 산화물이 없는 릴리스 코팅으로 코팅된다.
본 명세서에 사용된 "불활성 분위기"란 용어는 둘다 고상 및 액상인 상기 장치의 재료와 실리콘 금속 상에 대해 필수적으로 화학적으로 불활성인 고온 영역 내의 상기 장치의 재료와 실리콘 금속과 접촉하는 분위기를 의미한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이 상기 용어는 진공을 포함한, 불활성 분위기의 임의의 가스 압력을 포함한다.
상기 장치는 단결정질 실리콘 결정의 성장을 위한 브릿지맨 공정 또는 관련 직접 고화 공정, 블록 캐스팅 공정, 또는 CZ-공정을 수행하기 위한 노와 같은, 태양 전지용 실리콘 잉곳을 포함한 반도체용 실리콘 잉곳을 결정질화하기 위한 임의의 공지된 장치일 수 있다.
태양 전지용 실리콘의 용융 및 결정질화 중에 고온 영역에서 산화물을 함유하지 않는 재료를 사용함으로써, 실리콘 금속 상의 탄소와 산소 오염과 관련된 문제점이 제거/실질적으로 감소된다. 이는 금속 상 내에 실리콘 탄화물 결정의 형성을 실질적으로 감소시킴으로써, 웨이퍼로 제조된 PV 전지의 태양 에너지 변환 효율을 높게 개선한다. 높은 변환 효율을 초래하는 다른 요인은 침입형 재결합-활성화 산소 복합물의 감소/방지이다. 이러한 감소된 오염 레벨은 또한, 실리콘 금속을 태양전지 웨이퍼로 가공하는 다음 공정이 탄화물과 산화물과 같은 경질과 취성을 갖는 개재물의 부재로 인해 단순화될 수 있다는 장점을 제공한다.
도 1은 반도체용 잉곳의 직접 고화를 위한 종래 기술의 노에 대한 개략도이다.
본 발명은 다결정질 실리콘 잉곳의 제조를 위한 장치의 예시적인 실시예에 의해 더욱 상세히 설명될 것이다. 이러한 예는 고온 영역에서 산소-함유 재료의 사용을 피함으로써 탄소 및 산소 오염을 피하기 위한 본 발명의 일반적인 개념의 제한 예로서 해석되어서는 않된다. 본 발명의 사상은 반도체용 실리콘이 제조되는 어떤 공지된 고온 영역에서도 사용될 수 있다.
선택된 예는 본 출원인의 국제 특허 출원 번호WO 2006/082085호의 도 1과 동일한 도 1에 도시된 바와 같은, 다결정 실리콘의 직접적인 고화를 수행하기 위한 통상적인 노이다. 상기 노는 도면에서 도면부호 2로 표시된 절연 벽에 의해 한정된 기밀식 결정질화 챔버를 포함한다. 내측 챔버는 프레임(11)을 갖는 바닥(9), 벽(10), 및 리드(5)에 의해 한정되어 있다. 내측 챔버에는 내측 챔버 내의 불활성 분위기를 유지하기 위한 분사 랜스(12)와 흡입 출구(24)가 제공되어 있다. 금속(13)은 도가니(1) 내에 포함되어 있으며, 금속(13)은 제 1 금속이며 가열 소자(8,21) 및 냉각 회로(4,15,16,17,19,20,22,23)의 작동을 조절함으로써 직접 고화된다.
이러한 노에 적용될 때 본 발명의 목적은 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 이들의 복합물로 제조되며, 선택적으로 산화물이 없는 릴리스(release) 코팅으로 코팅된 도가니(1)를 사용함으로써 달성될 수 있다. 적합한 실리콘 질화물 도가니의 예는 NO 317 080호 공보에 설명되어 있으며, 상기 공보의 40 내지 60 체적% 범위의 전체 다공도를 가지며 표면 상의 기공의 적어도 50%가 Si3N4-입자의 평균 직경보다 큰 실리콘 질화물은 액체 실리콘을 습윤시키지 않아서 도가니는 고화 금속을 쉽게 미끄러질 것이다. 그러나, 단지 실리콘 질화물로만 제조되며 액체 실리콘을 습윤시키지 않는 도가니가 사용될 수 있다. 순수한 실리콘 질화물 도가니는 산 소/산화물을 포함하지 않거나 그 양은 무시할 수 있을 정도이다. 따라서 도가니로부터 액체 금속으로 산소의 이동이 방지되어서, SiO의 형성과 고체 금속 내의 침입형 산소 레벨이 실질적으로 감소되거나 제거된다. 고온 영역 내의 모든 산소 소오스를 제거하기 위해, 본 발명에 따른 DS-노의 예는 벽(10), 프레임(11)을 갖춘 바닥(9), 및 탄소로 제조되는 랜스(24,12)를 사용한다. 따라서, 결정질화 챔버의 내측 밀봉 영역을 한정하는 산소 함유 소자가 없게 됨으로써, 금속 내측으로의 산소 이동과 그런 금속과 접촉하는 CO-가스의 형성이 실제적으로 제거된다.
Claims (9)
- 반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법으로서,반도체용 실리콘 잉곳을 고화하며, 선택적으로 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 이들의 복합물로 형성된 도가니 내에 공급 실리콘 재료의 용융물도 포함하며,상기 실리콘 잉곳의 결정질화 중에 불활성 분위기를 갖는 밀봉된 고온 영역 내에 상기 도가니를 위치시키며, 선택적으로 상기 공급 실리콘 재료의 용융물도 포함하며,탄소 및/또는 흑연 재료로 형성되는, 상기 고온 영역 내에 열 절연 소자를 포함하는 하중 지지 건축 요소를 사용하며,실리콘 질화물인 Si3N4으로 형성되는, 상기 고온 영역 내에 전기 절연 소자를 사용함으로써,상기 고온 영역 내의 산소의 존재가 실질적으로 감소되거나 제거되는,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 도가니는 산화물을 함유하지 않는 릴리스 코팅으로 코팅되는,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 반도체용 결정질화 공정은 단결정질 실리콘 결정의 성장을 위한 브릿지맨 공정 또는 관련 직접 고화 공정, 블록 캐스팅 공정, 또는 CZ-공정인,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 형성된 실리콘 잉곳은 태양 전지용 실리콘 잉곳인,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 방법.
- 반도체용 실리콘 잉곳의 제조 장치로서,불활성 분위기를 갖는 고온 영역을 포함하며,상기 고온 영역 내의 열 절연 소자들을 포함하는 상기 장치의 모든 하중 지지 건축 소자들은 탄소 및/또는 흑연 재료로 형성되며,상기 고온 영역 내의 전기 절연 소자들은 실리콘 질화물인 Si3N4로 형성되 며,상기 도가니는 실리콘 질화물인 Si3N4나 실리콘 탄화물인 SiC, 또는 이들의 복합물 중의 어느 하나로 형성되는,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 장치.
- 제 5 항에 있어서,상기 도가니는 산화물을 함유하지 않는 릴리스 코팅으로 코팅되는,반도체용 실리콘 잉곳의 제조 장치.
- 광전지 분야의 다결정질 웨이퍼 제조를 위한 잉곳 주조용 결정질화 노로서,고온 영역 내의 모든 하중 지지 및 기능 소자들이 산화물을 함유하지 않는 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는,광전지 분야의 다결정질 웨이퍼 제조를 위한 잉곳 주조용 결정질화 노.
- 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 주조용 도가니는 실리콘 질화물인 Si3N4나 실리콘 탄화물인 SiC, 또는 이들의 복합물로 형성되는,광전지 분야의 다결정질 웨이퍼 제조를 위한 잉곳 주조용 결정질화 노.
- 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,상기 전기 절연 소자는 Si3N4으로 형성되는,광전지 분야의 다결정질 웨이퍼 제조를 위한 잉곳 주조용 결정질화 노.
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