KR20100024675A

KR20100024675A - 잉곳 제조 장치 및 제조 방법

Info

Publication number: KR20100024675A
Application number: KR1020080083349A
Authority: KR
Inventors: 도진영; 권혁대; 고정익; 양희철; 이인하; 박완우; 김봉철
Original assignee: 주식회사 아바코
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-08
Also published as: WO2010024541A2; CN102131963A; WO2010024541A3; CN102131963B

Abstract

본 발명은 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 원료를 담는 도가니와, 도가니를 가열하는 가열 수단과, 도가니를 지지하는 지지대와, 가열 수단 외부에 마련되며 지지대와 소정 간격 이격되는 단열재와, 도가니 지지대 하부에 마련되며, 회전 가능한 냉각 수단을 포함한다.

본 발명에 의하면 회전하는 냉각 수단의 냉각열이 도가니 하부 뿐만 아니라 단열재의 하부와 지지대 사이의 공간을 통해 도가니 측부까지 전달되어 실리콘 융액이 중심부와 측부에서 동시에 응고되도록 하여 결정의 방향성이 우수한 실리콘 잉곳을 제조할 수 있다.

실리콘 잉곳, 냉각 수단, 회전, 결정, 도가니, 하부, 측부

Description

잉곳 제조 장치 및 제조 방법{Manufacturing equipment for ingot and method of manufacturing the ingot}

본 발명은 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 특히 열 손실이 없으며, 중심부와 측부의 응고 속도를 동일하게 하는 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

최근 환경 문제와 에너지 고갈에 대한 관심이 높아지면서, 에너지 자원이 풍부하고 환경 오염에 대한 문제점이 없으며 에너지 효율이 높은 대체 에너지로서 태양 전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 태양 전지는 사용 원료에 따라 결정계, 비정질계, 화합물계 등으로 분류되고, 그 중에서도 현재 시장에 유통되고 있는 대부분은 결정계 실리콘 태양 전지이다.

결정계 실리콘 태양 전지는 단결정형과 다결정형으로 분류된다. 단결정 실리콘 태양 전지는 기판의 품질이 좋기 때문에 변환 효율이 높은 장점이 있지만, 기판의 제조 비용이 높다는 단점을 갖는다. 이에 반해, 다결정 실리콘 태양 전지는 단 결정 실리콘 태양 전지에 비해 변환 효율이 낮지만, 제조 비용이 낮은 장점이 있다. 따라서, 최근에는 다결정 실리콘 태양 전지의 수요가 증가하고 있고, 보다 저비용으로 높은 변환 효율을 갖는 다결정 실리콘 태양 전지가 요구되고 있다.

이러한 요구에 대처하기 위해서는 다결정 실리콘 기판의 저비용화, 고품질화가 필요하다. 특히, 고순도의 다결정 실리콘 잉곳을 수율 좋게 제조하는 것이 요구되고 있다. 다결정 실리콘 잉곳은 실리콘 원료를 도가니 내에 넣고 용융시킨 후 도가니 바닥부터 한방향으로 응고시켜서 형성하는 방법이 일반적이다.

상기 방법으로 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 장치는 일반적으로 도가니 하부에 냉각 수단이 위치하게 된다. 그런데, 냉각 수단은 실리콘 원료가 용융되는 동안에도 계속적으로 냉각수를 흘려주게 되고 냉각 수단이 도가니 쪽으로 노출되게 된다. 따라서, 실리콘 원료를 용융시키기 위한 열이 손실되어 용융 시간이 오래 걸리고, 그에 따른 공정 시간이 증가하게 된다.

또한, 종래의 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 장치는 실리콘 융액의 중심부와 측부의 응고 속도가 달라 결정의 방향성이 좋지 않은 문제점이 있다. 즉, 도가니 하부의 온도보다 도가니 측부의 온도가 높기 때문에 도가니 내의 실리콘 융액이 중심부에서 먼저 응고되고, 측부는 나중에 응고된다. 이는 도가니 하부에 냉각 수단이 위치하기 때문이다. 따라서, 위로 볼록한 형태로 응고 계면이 형성되어 다결정 실리콘 잉곳의 결정이 수직 방향으로 일정하게 형성되지 않고 기울기가 있는 결정이 형성되어 다결정 실리콘 잉곳의 품질이 저하된다.

본 발명은 열 손실이 없고, 공정 시간을 줄일 수 있는 잉곳 제조 장치 및 제조 방법을 제공한다.

본 발명은 중심부와 측부의 응고 속도를 동일하게 하여 결정의 방향성이 우수한 잉곳을 제조하는 잉곳 제조 장치 및 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 양태에 따른 잉곳 제조 장치는 원료를 담는 도가니; 상기 도가니를 가열하는 가열 수단; 상기 도가니를 지지하는 지지대; 상기 가열 수단 외부에 마련되는 단열재; 및 상기 도가니 지지대 하부에 마련되며, 회전 가능한 냉각 수단을 포함한다.

상기 가열 수단은 상기 도가니 상부에 마련된 상부 히터; 및 상기 도가니 측부에 마련된 측부 히터를 포함한다.

또한, 상기 가열 수단은 상기 도가니 상부에 마련된 상부 히터; 및 상기 지지대와 상기 냉각 수단 사이에 마련된 하부 히터를 포함한다.

상기 단열재는 상기 지지대와 소정 간격 이격되어 마련된다.

상기 냉각 수단은 적어도 하나의 냉각 라인; 및 상기 냉각 라인을 감싸도록 결합된 냉각 차단재 및 냉각 전달재를 포함한다.

상기 냉각 라인은 통형으로 제작되며, 상기 냉각 차단재 및 냉각 전달재는 반통형으로 제작되어 결합된다.

상기 냉각 차단재는 상기 원료 용융시 상기 냉각 라인 상부에 위치하고, 상기 냉각 전달재는 상기 원료 응고시 점차적으로 회전하여 상기 냉각 라인 상부에 위치한다.

상기 단열재와 상기 지지대 사이의 공간을 폐쇄시키도록 이동 가능한 이동 단열판; 및 상기 이동 단열판 하부와 연결되어 상기 이동 단열판을 이동시키는 이동 수단을 포함한다.

상기 이동 단열판은 상하 또는 좌우로 이동하며, 상기 냉각 수단과 연동되어 이동한다.

상기 냉각 수단의 하부를 지지하는 지지 수단; 및 상기 지지 수단과 연결되어 상기 지지 수단을 상하 이동시키는 이동 수단을 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따른 잉곳 제조 방법은 원료를 도가니에 투입하는 단계; 상기 도가니 외부에 설치된 가열 수단을 이용하여 상기 원료를 용융시켜 융액을 형성하는 단계; 및 상기 도가니 하부에 설치된 냉각 수단을 회전시켜 상기 도가니 하부 및 도가니 측부에 냉각열을 전달하여 상기 융액을 응고시켜 잉곳을 제조하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 잉곳 제조 장치는 실리콘 원료가 용융되는 동안에는 차단되 고 실리콘 융액을 응고시키는 동안에는 서서히 개방되도록 회전하는 냉각 수단을 도가니 하부에 설치하여 열 손실을 없앨 수 있다.

또한, 핫존의 열을 외부와 차단하기 위한 단열재와 도가니 및 몰드를 지지하는 지지대 사이에 소정의 공간이 마련되도록 하고, 냉각 차단재와 냉각 전달재가 냉각 라인을 둘러싸며 회전하는 냉각 수단을 지지대 하부에 마련한다. 그리고, 회전하는 냉각 수단의 냉각열이 도가니 하부 뿐만 아니라 단열재와 지지대 사이의 공간을 통해 도가니 측부까지 전달되어 원료 융액이 중심부와 측부에서 동시에 응고되도록 한다.

따라서, 열 손실을 없앨 수 있을 뿐만 아니라 중심부와 측부의 응고 속도를 동일하게 하며, 이로부터 응고되어 형성되는 결정들이 전체적으로 수직 방향으로 형성되어 결정 방향성이 우수한 잉곳을 만들 수 있다. 또한, 응고되어 형성되는 결정립들의 크기가 큰 잉곳을 제조할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 본 발명은 다양한 잉곳을 제조하기 위해 이용될 수 있는데, 하기 실시 예는 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 경우에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개략 단면도이고, 도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 공정 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 내부에 핫존(hot zone)(10)이 마련되는 챔버(100)와, 챔버(100)의 벽 내부에 마련된 챔버 냉각 라인(110)과, 실리콘 원료를 용융시키는 도가니(120)와, 도가니(120)를 둘러싸는 몰드(130)와, 도가니(120) 및 몰드(130)를 지지하는 지지대(140)와, 도가니(120) 내의 실리콘을 가열하여 용융시키는 가열 수단(150)과, 핫존(10)의 열을 외부와 차단하기 위한 단열재(160)와, 용융된 실리콘을 냉각시키는 냉각 수단(170)을 포함한다. 여기서, 핫존(10)은 열을 발생시키고 실리콘을 용융시키는 공간을 지칭하며, 단열재(160) 내의 공간, 즉 도가니(120), 몰드(130), 지지대(140) 및 가열 수단(150)이 마련된 공간을 지칭한다. 또한, 가열 수단(150)은 도가니(120) 상부 및 측부에 각각 마련된 상부 히터(151) 및 측부 히터(152)를 포함한다. 그리고, 냉각 수단(170)은 냉각 라인(171)과, 냉각 라인(171)을 둘러싸는 냉각 조절부(174)를 포함하며, 냉각 조절부(174)는 냉각 라인(171)을 둘러싸며 결합된 냉각 차단재(172) 및 냉각 전달재(173)을 포함한다.

챔버(100)는 내부에 핫존(10)이 마련된 직육면체 형태로 제작되며, 상부가 개폐될 수 있도록 제작된다. 또한, 챔버(100)는 실리콘을 용융시키는 동안에 진공 또는 대기압보다 낮은 압력을 유지하는데, 이를 위해 챔버(100)의 일측에 진공 펌프(미도시) 및 밸브(미도시)가 마련된다. 또한, 챔버(100)의 벽 내부에 챔버 냉각 라인(110)이 마련된다. 챔버 냉각 라인(110)은 냉매 또는 냉각수가 흘러 챔버(100) 내부의 온도를 적절하게 제어하게 된다. 한편, 챔버(100)의 온도 제어를 위해 챔버(100)의 일측에 온도 센서(미도시)가 설치된다. 따라서, 온도 센서에 의해 측정된 챔버(100) 내부의 온도에 따라 챔버 냉각 라인(110)을 통해 냉매 또는 냉각수가 흘러 챔버(100) 내부가 적절한 온도를 유지하게 한다.

도가니(120)는 상부가 개방된 직육면체 형상으로 제작될 수 있으며, 도가니(120) 내에서 실리콘이 용융 및 응고된다. 도가니(120)는 실리콘을 용융시키는 약 1450℃의 고온에서도 형상 안정성이 뛰어난 물질을 이용하여 제작되는데, 석영 또는 흑연 등을 이용할 수 있다. 또한, 도가니(120)는 일체형 또는 조립형으로 제작될 수 있는데, 조립형은 예를들어 판상의 바닥 부재와 측면 부재를 제작하고 이들을 조립 및 나사 고정하여 제작될 수 있다.

몰드(130)는 도가니(120), 특히 석영으로 제작된 도가니(120)를 둘러싸도록 마련될 수 있으며, 상부가 개방된 직육면체 형상으로 제작될 수 있다. 몰드(130)는 흑연을 이용하여 제작될 수 있다.

지지대(140)는 몰드(130) 하부에서 도가니(120) 및 몰드(130)를 지지하며, 열 전도성이 우수한 물질, 예를들어 흑연으로 제작될 수 있다.

가열 수단(150)은 도가니(120) 내의 실리콘을 가열하여 용융시키기 위해 설치되며, 도가니(120) 상부에 마련된 상부 히터(151) 및 도가니(120) 측부에 마련된 측부 히터(152)를 포함한다. 상부 히터(151) 및 측부 히터(152)는 챔버(100) 외부의 전원 공급 장치(미도시)와 연결되어 전원 공급 장치로부터 공급된 전원에 의하여 열을 발하게 된다. 또한, 상부 히터(151) 및 측부 히터(152) 부근에는 복수의 온도 센서(미도시)가 구비될 수 있으며, 온도 센서에 의해 측정된 온도는 챔버(100) 외부에 표시될 수 있다.

단열재(160)는 핫존(10)의 열이 외부로 전달되는 것을 방지하기 위해 마련되며, 가열 수단(150)을 포함한 핫존(10)의 상부 및 측부를 감싸도록 마련된 제 1 및 제 2 단열재(161 및 162)와, 핫존(10)의 하부 영역에 마련된 제 3 단열재(163)와, 제 3 단열재(163)의 하부로부터 챔버(100)의 하부면으로 마련된 제 4 단열재(164)를 포함한다. 단열재(160)는 핫존(10)을 둘러싸게 된다. 이때, 단열재(160)의 형상은 핫존(10)을 내부에 설치할 수 있는 다양한 형상으로 변경될 수 있으며, 일체형 또는 분리형으로 제작될 수 있다. 또한, 제 1 단열재(161)는 제 2 단열재(162)로부터 분리 가능하도록 마련되고, 제 3 단열재(163)는 지지대(140)와 소정 간격 이격되어 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이에는 소정의 공간이 마련된다. 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 통해 냉각 수단(170)의 냉각열이 유입되어 도가니(120) 측부, 즉 도가니(120)와 측부 히터(152) 사이에도 냉각열이 전달될 수 있다.

냉각 수단(170)은 핫존(10)을 냉각시켜 도가니(120) 내에서 용융된 실리콘을 응고시킨다. 냉각 수단(170)은 핫존(10) 하부에 복수개 마련되며, 각각의 냉각 수단(170)은 냉매 또는 냉각수가 흐르는 냉각 라인(171)과, 냉각 라인(171)을 감싸며 냉각열을 조절하는 냉각 조절부(174)를 포함한다. 또한, 냉각 조절부(174)는 냉각 라인(171)을 감싸도록 서로 결합된 냉각 차단재(172) 및 냉각 전달재(173)를 포함한다. 냉각 라인(171)은 핫존(10) 하부, 즉 지지대(140) 하부를 가로질러 배치되며, 예를들어 원통, 사각통, 다각통 등의 통형으로 제작될 수 있다. 냉각 차단재(172) 및 냉각 전달재(173)는 예를들어 각각 반통형으로 제작되며, 냉각 라인(171)을 사이에 두고 결합되어 냉각 라인(171)을 감싸게 된다. 여기서, 냉각 차단재(172)는 열 차단성 물질로 제작되고, 냉각 전달재(173)는 열 전도성 물질로 제작된다. 냉각 수단(170)은 챔버(100) 외부에 마련된 회전 구동 수단(미도시)에 의해 회전하는데, 냉각 라인(171)을 포함한 냉각 수단(170) 전체가 회전할 수도 있고, 냉각 라인(171)을 제외한 냉각 조절부(174)만이 회전할 수도 있다. 냉각 수단(170)은 회전에 의해 핫존(10)의 온도를 낮추거나 유지할 수 있다. 즉, 실리콘의 용융 시에는 냉각 차단재(172)가 냉각 라인(171)의 상부에 위치하여 도가니(120)는 실리콘의 용융 온도를 유지하고, 실리콘의 응고 시에는 냉각 수단(170)이 회전하여 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부로 이동하면서 핫존(10)의 온도를 낮추게 된다. 실리콘 응고 시 냉각 수단(170)이 회전하면서 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171) 상부에 위치하는 영역이 점차 증가하면서 핫존(10)의 온도를 서서히 낮추게 된다. 이때, 핫존(10) 하부 뿐만 아니라 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 통해 도가니(120) 측부에도 냉각열이 전달되어 도가니(120) 측부에서도 도가니(120) 하부와 동시에 실리콘의 응고가 이루어진다. 한편, 모든 냉각 수단(170)은 동일 방향으로 회전할 수도 있고, 서로 다른 방향으로 회전할 수도 있는 데, 예를들어 중앙부를 중심으로 일측의 적어도 하나의 냉각 수단(170)이 시계 방향으로 회전하고, 나머지 냉각 수단(170)이 반시계 방향으로 회전할 수도 있다. 또한, 예를들어 홀수번째 냉각 수단(170)이 시계 방향으로 회전하고, 짝수번째 냉각 수단(170)이 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 이외에도 다양한 방법으로 냉각 수단(170)이 서로 다른 방향으로 회전할 수도 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 도가니(120) 하부에 위치하는 냉각 수단(170)이 실리콘 원료 용융 시에는 냉각 차단재(172)가 냉각 라인(171) 상부에 위치하고, 실리콘 응고 시에는 회전하여 냉각 전달재(173)가 서서히 냉각 라인(171) 상부에 위치하도록 함으로써 열 손실을 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치를 이용한 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 도 2 내지 도 7을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참조하면, 챔버(100)의 상부 및 제 1 단열재(161)를 개방하고, 도가니(120)에 고순도 실리콘 원료(20)를 투입한 후 제 1 단열재(161) 및 챔버(100)의 상부를 밀폐시킨다. 이때, 실리콘 원료(20) 이외에 n형 또는 p형의 불순물을 함께 첨가하여 결정성 실리콘의 전기적 특성을 제어할 수 있다. 밀폐된 챔버(100) 내부는 진공 펌프(미도시) 및 밸브(미도시)를 이용하여 예를들어 10^-2∼10^-4torr 정도의 진공 또는 대기압보다 낮은 압력을 유지하도록 한다. 이때, 핫존(10) 하부의 냉각 수단(170)은 냉각 라인(171) 상부에 냉각 차단재(172)가 위치한다. 따라서, 냉각 라인(171)을 통해 냉매 또는 냉각수가 흐르더라도 냉각 라인(171)으로부터의 냉각열이 상부로 전달되지 못하게 한다. 또한, 냉각 라인(171)을 통해 냉매 또는 냉각수가 흐르지 않도록 할 수도 있다. 이 경우에도 냉각 라인(171) 상부에 냉각 차단재(172)가 위치하는 것이 바람직하다.

도 3을 참조하면, 다음으로 가열 수단(150)을 작동시켜 도가니(120)를 가열한다. 이때, 가열 수단(150)은 실리콘 원료(20)를 용융시킬 수 있는 온도, 예를들어 1450℃의 온도로 도가니(150)를 가열한다. 도가니(120)가 가열됨으로써 도가니(120) 내의 실리콘 원료(20)가 점차 용융되어 실리콘 융액(30)이 된다. 이때에도 핫존(10) 하부의 냉각 수단(170)은 냉각 라인(171) 상부에 냉각 차단재(172)가 위치한다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 실리콘이 완전히 용융되고 열 안정 상태가 되면 실리콘을 응고시키기 시작하는데, 이를 위해 냉각 라인(171)에 냉매 또는 냉각수가 흐르도록 하고, 냉각 수단(170)을 서서히 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킨다. 냉각 전달재(173)의 적어도 일부가 냉각 라인(171) 상부와 핫존(10) 하부에 위치하면서부터 실리콘 융액(30)이 하부로부터 응고(40)되기 시작한다. 이때, 냉각 전달재(173)가 서서히 회전하는 동시에 가열 수단(150)의 열을 서서히 낮출 수 있다. 그런데, 냉각 전달재(173)를 통해 전달되는 냉각 라인(171)의 냉각열은 핫존(10) 하부 뿐만 아니라 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 통해 도 가니(120) 측부에도 전달된다. 따라서, 도가니(120) 하부 뿐만 아니라 도가니(120) 측부에서도 동시에 실리콘 융액(30)이 응고되기 때문에 응고 계면이 수평이 된다. 즉, 냉각 수단(170)의 회전 속도를 조절하고, 가열 수단(150)의 열을 조절함으로써 응고 속도 및 응고 계면이 수평이 되도록 조절한다. 이때, 도가니(120) 내의 하부 영역 전체에서 균일하게 실리콘 융액(20)이 응고되면서 실리콘 결정립들이 수직 방향으로 성장된다. 또한, 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171) 상부에 위치할수록 결정립들은 계속 수직 방향으로 성장된다.

도 7을 참조하면, 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부에 완전히 위치할 때까지 냉각 수단(170)을 회전시킨다. 도가니(120) 내의 실리콘 융액(30)이 완전히 응고되어 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제조될 때까지 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부에 위치하도록 한다. 이때, 가열 수단(150)의 온도 또한 계속해서 낮추게 된다. 물론, 냉각 라인(171)의 냉각열이 핫존(10) 하부 뿐만 아니라 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 통해 도가니(120) 측부에도 전달되므로 응고 계면이 수평이 되도록 실리콘 융액(30)이 응고되어 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제조된다. 한편, 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제조된 후 가열 수단(150)을 이용하여 다결정 실리콘 잉곳(50)을 열처리할 수도 있다. 다결정 실리콘 잉곳(50)의 열처리는 다결정 실리콘 잉곳(50)이 용융되지 않을 정도의 온도, 예를들어 900℃∼1200℃의 온도에서 실시한다. 이렇게 열처리 공정을 실시함으로써 실리콘 융액(30)이 응고되면서 결정 성장을 하는 과정에서 열응력 등으로 인하여 발생할 수 있는 다결정 실리콘 잉곳(50) 내의 각종 결함을 최소화할 수 있다. 다결정 실리콘 잉곳(50)을 열처리하는 과정에서 냉각 수단(170)의 냉각열을 차단할 수 있는데, 냉각 수단(170)을 회전시키지 않고 냉각 라인(171)을 통한 냉매 또는 냉각수의 흐름을 중지하거나 냉각 수단(170)을 회전시켜 냉각 차단재(172)가 냉각 라인(171) 상부에 위치하도록 할 수 있다.

이렇게 다결정 실리콘 잉곳(50)을 제조한 후 챔버(100) 내에 퍼지 가스를 주입하고, 챔버(100) 내의 압력을 조절하여 상압으로 도달하면 챔버(100)를 개방하여 다결정 실리콘 잉곳(50)을 인출하게 된다.

상기 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 제 3 단열재(163)과 지지대(140) 사이에 공간이 마련되어 회전하는 냉각 수단(170)의 냉각열이 도가니(120) 하부 뿐만 아니라 제 3 단열재(163)과 지지대(140) 사이의 공간을 통해 도가니(120) 측부까지 전달되어 실리콘 융액이 중심부와 측부에서 동시에 응고되도록 한다. 그러나, 제 3 단열재(163)과 지지대(140) 사이의 공간을 최초에는 폐쇄한 후 냉각 수단(170)의 회전에 따라 개방하도록 이동 단열판을 구비할 수도 있다.

이러한 이동 단열판을 구비하는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치를 도 8을 이용하여 설명하고, 이를 이용한 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 도 9 내지 도 12을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 내부에 핫존(hor zone)(10)이 마련되는 챔버(100)와, 챔버(100)의 벽면 내 부에 마련된 챔버 냉각 라인(110)과, 실리콘 원료를 용융시키는 도가니(120)와, 도가니(120)를 둘러싸는 몰드(130)와, 도나기(120) 및 몰드(130)를 지지하는 지지대(140)와, 도가니(120) 내의 실리콘을 가열하여 용융시키는 가열 수단(150)과, 핫존(10)의 열을 외부와 차단하기 위한 단열재(160)와, 용융된 실리콘을 냉각시키는 냉각 수단(170)을 포함한다. 또한, 단열재(160)의 일부와 지지대(140) 사이의 공간에 마련되며 상하 이동 가능한 이동 단열판(180)과, 이동 단열판(180)과 연결되어 이동 단열판(180)을 상하 이동시키는 이동 수단(190)을 더 포함한다. 여기서, 이동 단열판(180) 및 이동 수단(190)을 제외한 나머지는 도 1을 이용하여 설명된 본 발명의 일 실시 예와 동일하므로 여기서는 이동 단열판(180) 및 이동 수단(190)의 구성에 대해서만 중점적으로 설명하겠다.

이동 단열판(180)은 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 폐쇄하도록 마련된다. 이동 단열판(180)은 상부 일부가 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간보다 폭이 넓고, 다른 부분은 이들 사이의 공간보다 폭이 좁게 제작될 수 있다. 즉, 이동 단열판(180)은 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 폐쇄하고 내부에 개구부가 있는 판형상의 플레이트와, 플레이트 단부에서 하방으로 연장된 폭이 좁은 연장부를 포함한다. 여기서, 연장부는 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간에서 이동 단열판(180)이 상하 이동할 수 있도록 한다. 또한, 이동 단열판(180)은 최초 측부 히터(152)의 하부보다 낮은 위치에 위치해 있고, 상측으로 이동하면서 측부 히터(152)와 도가니(120) 사이를 가로막게 된다. 그리고, 냉각 수단(170)이 회전하면서 이동 단열판(180)이 상부로 이동하고, 이동 단열 판(180)이 상부로 이동하면서 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간이 개방된다. 정확하게는 이동 단열판(180)의 연장부와 지지대(140) 사이가 개방된다. 개방된 공간 사이를 통해 냉각열이 도가니(120) 측부에 전달된다. 이때, 이동 단열판(180)의 플레이트는 이동 단열판(180)이 상부로 이동하였을 때 냉각 수단(170)의 냉각열이 그 위까지 전달되는 것을 방지하는 역할도 한다. 또한, 이동 단열판(180)의 연장부는 측부 히터(152)의 열 전달을 방지하는 역할도 한다. 따라서, 실리콘 응고 계면이 중앙부와 가장자리가 수평으로 응고되도록 할 수 있다. 한편, 이동 단열판(180)의 플레이트가 지지대(140)의 상부에 안착되기 때문에 지지대(140)에 단턱이 형성될 수도 있다.

이동 수단(190)은 이동 단열판(180)의 하부와 연결되어 이동 단열판(180)을 상하 이동시킨다. 이동 수단(190)은 챔버(100) 하측이 일부 관통된 개구부를 통해 수직 구동 수단(미도시)과 연결된다. 즉, 이동 수단(190)은 수직 구동 수단에 의해 상하 운동하며, 이동 수단(190)의 상하 운동에 의해 이동 단열판(180)이 상하 이동한다. 한편, 이동 수단(190)을 수직 운동시키는 수직 구동 수단은 냉각 수단(170)을 구동시키는 회전 구동 수단(미도시)과 연동된다. 즉, 회전 구동 수단이 어느 정도 구동된 후 수직 구동 수단이 구동하여 냉각 수단(170)이 회전하면서 이동 단열판(180)이 상부로 이동하게 된다. 이때, 냉각 수단(170)의 냉각 전달재(173)가 상부에 위치하는 거리와 이동 단열판(180)이 최대 높이로 상승하는 거리를 고려하여 회전 구동 수단과 수직 구동 수단의 속도를 조절할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치를 이용한 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 도 9 내지 도 12를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

도 9를 참조하면, 도가니(120)에 고순도 실리콘 원료(20)를 투입한 후 챔버(100)를 밀폐시킨다. 밀폐된 챔버(100) 내부는 진공 펌프(미도시) 및 밸브(미도시)를 이용하여 진공 또는 대기압보다 낮은 압력을 유지하도록 한다. 이때, 핫존(10) 하부의 냉각 수단(170)은 냉각 라인(171) 상부에 냉각 차단재(172)가 위치한다. 또한, 이동 단열판(180)의 상부가 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 폐쇄하게 된다.

도 10을 참조하면, 다음으로 가열 수단(150)을 실리콘 원료(20)를 용융시킬 수 있을 정도의 온도로 작동시켜 도가니(120)를 가열한다. 도가니(120)가 가열됨으로써 도가니(120) 내의 실리콘 원료(20)가 점차 용융되어 실리콘 융액(30)이 된다. 이때에도 핫존(10) 하부의 냉각 수단(170)은 냉각 라인(171) 상부에 냉각 차단재(172)가 위치한다. 또한, 이동 단열판(180)은 제 3 단열재(163)과 지지대(140) 사이의 공간을 폐쇄하는 상태를 유지하게 된다.

도 11을 참조하면, 실리콘이 완전히 용융되고 열 안정 상태가 되면 실리콘을 응고시킨다. 이를 위해 냉각 라인(171)에 냉매 또는 냉각수가 흐르도록 하고, 냉각 수단(170)을 서서히 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시키고, 냉각 수단(170)이 어느 정도 회전한 후 이동 수단(190)이 상방 운동하여 이동 단열판(180)이 상방으로 이동하도록 한다. 냉각 수단(170)의 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171) 상부 와 핫존(10) 하부에 위치하면서 실리콘 융액(30)이 하부로부터 응고(40)되기 시작된다. 그리고, 이동 단열판(180)이 상방으로 이동하면서 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이에 공간이 마련되고, 그 공간을 통해 냉각 수단(170)의 냉각열이 도가니(120)의 측부에 전달된다. 이때, 이동 단열판(180)의 플레이트는 냉각열이 이동 단열판(180) 상부의 도가니(120) 측부까지 전달되지 못하게 하는 역할을 한다. 이에 따라 중앙보다 가장자리가 더 빨리 응고되는 것을 방지할 수 있다. 이렇게 냉각 수단(170)이 회전하여 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부에 위치하는 공간이 넓어질수록 이동 단열판(180)의 상방 이동 거리도 증가하게 된다. 따라서, 이동 단열판(180)의 상방 이동 거리가 증가할수록 이동 단열판(180)과 도가니(120) 측부 사이의 공간이 넓어지고, 이에 따라 응고되는 두께 또한 두꺼워지게 된다. 한편, 냉각 수단(170)이 서서히 회전하는 동시에 가열 수단(150)의 열을 서서히 낮출 수 있다.

도 12를 참조하면, 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부에 완전히 위치할 때까지 냉각 수단(170)을 회전시키고, 이동 단열판(180)을 최대한 상방 이동시킨다. 도가니(120) 내의 실리콘 융액(30)이 완전히 응고되어 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제조될 때까지 냉각 전달재(173)가 냉각 라인(171)의 상부에 위치하도록 하고, 이동 단열판(180)이 최대 높이를 유지하도록 한다. 이때, 가열 수단(150)의 온도 또한 계속해서 낮추게 된다. 냉각 라인(171)의 냉각열이 핫존(10) 하부 뿐만 아니라 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 통해 도가니(120) 측부에도 전달되므로 수평적으로 실리콘 융액(30)이 응고되어 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제 조된다. 한편, 다결정 실리콘 잉곳(50)이 제조된 후 가열 수단(150)을 이용하여 다결정 실리콘 잉곳(50)을 열처리할 수도 있다. 이렇게 열처리 공정을 실시함으로써 실리콘 융액(30)이 응고되면서 결정 성장을 하는 과정에서 열응력 등으로 인하여 발생할 수 있는 다결정 실리콘 잉곳(50) 내의 각종 결함을 최소화할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

예를들어 도 13에 도시된 바와 같이 냉각 수단(170)을 하부에서 지지하는 지지 수단(195)를 마련하고, 지지 수단(195) 하부와 연결되는 이동 수단(191)을 챔버(100) 하측에 마련하여 냉각 수단(170)이 상방 이동하면서 회전하도록 할 수 있다. 이렇게 냉각 수단(170)이 상방 이동하면 냉각열이 더 빨리 전달되어 실리콘 융액을 빠르게 응고시킬 수 있다.

또한, 도 14에 도시된 바와 같이 측부 히터(152)를 설치하지 않고 가열 수단(150)을 상부 히터(151)과 하부 히터(153)로 구성할 수도 있다. 하부 히터(153)은 지지대(140)와 냉각 수단(170) 사이에 위치한다. 하부 히터(153)는 상부 히터(151)과 마찬가지로 냉각 수단(170)이 회전하면서 가열 온도를 서서히 줄이게 된다.

그리고, 도 15에 도시된 바와 같이 냉각 라인(171)을 챔버(100)의 하부에 설 치하고, 지지대(140)와 냉각 라인(171) 사이에 하부 히터(153)을 설치할 수도 있다. 여기서, 하부 히터(153) 적어도 하나가 서로 이격된 라인 형태로 설치할 수 있고, 하부 히터(153)를 일부 감싸도록 냉각 차단재(172)를 설치한다. 냉각 차단재(172)는 반원통형으로 제작되며, 초기에는 하부 히터(153) 하부에 수평으로 위치하며, 회전하여 도 16에 도시된 바와 같이 하부 히터(153)의 측부의 수직으로 위치하게 된다. 냉각 차단재(172)의 회전에 의해 하부의 냉각 라인(171)으로부터 냉각열을 도가니(120) 하부 및 측부로 점차적으로 전달하여 실리콘 융액(30)을 응고시켜 실리콘 잉곳을 제조할 수도 있다.

또한, 상기 실시 예는 상하 이동하는 이동 단열판(180)을 예로 들어 설명하였으나, 이동 단열판은 좌우 운동하도록 제작될 수 있다. 즉, 제 3 단열재(163)의 상부로부터 지지대(140)의 상부로 이동하면서 제 3 단열재(163)와 지지대(140) 사이의 공간을 개폐하도록 이동 단열판을 제작할 수도 있다.

한편, 상기 실시 예는 다결정 실리콘 잉곳의 제조에 이용되는 경우에 대해 설명하였으나, 다결정 실리콘 잉곳 이외에도 사파이어, SiC 등의 다양한 잉곳 제조에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개략 단면도.

도 2 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 공정 개략도.

도 8은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개략 단면도.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 공정 개략도.

도 13은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 일 변형 예의 개략 단면도.

도 14는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 다른 변형 예에 따른 개략 단면도.

도 15 및 도 16은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 또다른 변형 예 및 그에 따른 공정을 설명하기 위한 개략 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 챔버 110 : 챔버 냉각 라인

120 : 도가니 130 : 몰드

140 : 지지대 150 : 가열 수단

160 : 단열재 170 : 냉각 수단

180 : 이동 단열판 190 : 이동 수단

Claims

원료를 담는 도가니;

상기 도가니를 가열하는 가열 수단;

상기 도가니를 지지하는 지지대;

상기 가열 수단 외부에 마련되는 단열재; 및

상기 도가니 지지대 하부에 마련되며, 회전 가능한 냉각 수단을 포함하는 잉곳 제조 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 도가니 상부에 마련된 상부 히터; 및

상기 도가니 측부에 마련된 측부 히터를 포함하는 잉곳 제조 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가열 수단은 상기 도가니 상부에 마련된 상부 히터; 및

상기 지지대와 상기 냉각 수단 사이에 마련된 하부 히터를 포함하는 잉곳 제조 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 단열재는 상기 지지대와 소정 간격 이격되어 마련되는 잉곳 제조 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 수단은 적어도 하나의 냉각 라인; 및

상기 냉각 라인을 감싸도록 결합된 냉각 차단재 및 냉각 전달재를 포함하는 잉곳 제조 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 냉각 라인은 통형으로 제작되며, 상기 냉각 차단재 및 냉각 전달재는 반통형으로 제작되어 결합되는 잉곳 제조 장치.
제 5 항에 있어서, 상기 냉각 차단재는 상기 원료 용융시 상기 냉각 라인 상부에 위치하고, 상기 냉각 전달재는 상기 원료 응고시 점차적으로 회전하여 상기 냉각 라인 상부에 위치하는 잉곳 제조 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 단열재와 상기 지지대 사이의 공간을 폐쇄시키도록 이동 가능한 이동 단열판; 및

상기 이동 단열판과 연결되어 상기 이동 단열판을 이동시키는 이동 수단을 포함하는 잉곳 제조 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 이동 단열판은 상하 또는 좌우로 이동 가능한 잉곳 제조 장치.
제 9 항에 있어서, 상기 이동 단열판은 상기 냉각 수단과 연동되어 구동되는 잉곳 제조 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 수단의 하부를 지지하는 지지 수단; 및

상기 지지 수단과 연결되어 상기 지지 수단을 상하 이동시키는 이동 수단을 포함하는 잉곳 제조 장치.
원료를 도가니에 투입하는 단계;

상기 도가니 외부에 설치된 가열 수단을 이용하여 상기 원료를 용융시켜 융 액을 형성하는 단계; 및

상기 도가니 하부에 설치된 냉각 수단을 회전시켜 상기 도가니 하부 및 도가니 측부에 냉각열을 전달하여 상기 융액을 응고시켜 잉곳을 제조하는 단계를 포함하는 잉곳 제조 방법.