KR20100059691A

KR20100059691A - 결정 성장 장치 및 결정 성장 방법

Info

Publication number: KR20100059691A
Application number: KR1020090111243A
Authority: KR
Inventors: 유키치 호리오카
Original assignee: 유키치 호리오카
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2010-06-04
Also published as: CN102187018A; US20110174214A1; EP2302109A1; EP2302109A4; TW201026912A; JP4307516B1; KR101153907B1; EP2302109B1; CA2739708A1; TWI422716B; WO2010061560A1; JP2010126377A

Abstract

석영 도가니를 보다 장기적으로 사용할 수 있고, 나아가 가동 효율의 개선을 도모할 수 있는 결정 성장 장치 및 결정 성장 방법을 제공한다. 본 발명에 관한 결정 성장 장치는, 석영 도가니를 구비한 결정 성장로와, 원료 용융로와, 상기 원료 용융로로부터 상기 용융 원료를 상기 석영 도가니에 반복하여 공급하는 공급 수단을 구비한다. 상기 결정 성장로는 상기 용융 원료를 공급하는 공급구가 있고, 상기 공급구는 상기 원료 용융로에 대해 분리가 자유로울 수 있다. 그리고, 상기 원료 용융로 주위에 상기 결정 성장로가 복수개 배치될 수 있다. 또한, 상기 원료 용융로는 비용해 물질 분리 수단을 구비할 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 결정 성장 방법에서는 석영 도가니에 미리 용해한 용융 원료를 충전한다. 본 발명에 관한 결정 성장 방법에 있어서, 상기 충전 전에 상기 용융 원료로부터 비용해 물질을 제거할 수 있다.

석영 도가니, 결정 성장, 용융로, 성장로, 충전

Description

결정 성장 장치 및 결정 성장 방법{CRYSTAL GROWTH DEVICE AND CRYSTAL GROWTH METHOD}

본 발명은 반도체 재료, 태양 전지로 이용되는 실리콘의 결정 성장 장치 및 결정 성장 방법에 관한 것이다.

반도체용 실리콘 결정 성장 방법으로서, 초크랄스키법(CZ법)이나 일방향 응고법(VGF법)이 널리 사용되고 있다. 이 초크랄스키법 또는 일방향 응고법(VGF법)은, 대구경 결정 성장에 있어서는 우수하지만, 자원 절약, 에너지 절약의 관점에서는 몇 가지 문제점이 있다. 그리고, 그러한 문제점의 하나로서, 한 번의 프로세스마다 석영 도가니를 자주 교환해야 한다는 것을 들 수 있다. 즉, 초크랄스키법 또는 일방향 응고법(VGF법)에서는, 석영 도가니 내에 충전한 다결정 실리콘을 용해하여 그 융액으로부터 실리콘 결정을 제조하지만, 석영 도가니 내부 표면은 고온 실리콘 융액에 노출되어 열화(劣化)되기 때문에 실리콘 결정을 하나 혹은 복수 개를 제조할 때 마다 교환할 필요가 있다.

그래서 석영 도가니의 열화를 줄이거나, 혹은 한 개의 석영 도가니에서 생산할 수 있는 실리콘 결정의 수를 늘리는 등, 석영 도가니의 교환 빈도를 줄이는 방 법이 고안되어 왔다. 그리고, 그러한 방법으로서, 일본특허공개공보 제2000-247788호(특허 문헌 1) 에 개시된 실리콘 단결정 제조 방법이나, 일본특허공개공보 제2004-338978호(특허 문헌 2)에 개시된 실리콘 단결정 인상 방법이 있다.

상기 특허 문헌 1에 개시된 제조 방법에 의하면, 석영 도가니 내의 실리콘 융액에 대해 자기장을 부가하는 것으로, 석영 도가니 내부 표면의 열화를 억제하여 석영 도가니 수명을 길게 할 수 있다. 그리고 석영 도가니를 이용하여 실리콘 결정을 제조하는 시간을 100 시간 이상으로 장기간의 안정화가 가능하다.

또한, 특허 문헌 2에 개시된 실리콘 단결정 인상 방법에 의하면, 종래의 재충전 방법에서 행해지던, 인상 종료시마다 인상 챔버를 열고 결정을 반출하는 조작을 반복할 필요가 없고, 1개의 석영 도가니에서 반복 재충전하면서 실리콘 결정을 연속하여 인상할 수 있다. 그리고, 종래와 같이 결정 인상 종료시마다 행하던 게이트 밸브 개폐 조작과 인상 결정을 반출하는 조작을 생략할 수 있으며, 종래에 비해 가동율이 향상되고, 또한 상기 개폐 및 반출하는 조작에 영향을 초래하는 노(爐) 안의 오염이 방지되어, 보다 수율이 높은 인상이 가능하게 된다.

[특허 문헌 1] 특개2000-247788호 공보

[특허 문헌 2] 특개2004-338978호 공보

석영은 단단한 광물이기 때문에 그 기계 강도로는, 이론상으로 보다 장기적인 사용이 가능하며, 보다 장기간의 사용을 할 수 있게 하는 것이 사회적 요구라고 할 수 있다. 그렇지만, 석영 도가니는 실리콘 용해 온도로 유지하는 시간이 존재하는 한, 결정 제조 공정에서 가장 높은 온도에서 사용되기 때문에, 실리콘 융액과의 경계면, 특히 융액 표면 접촉부에 있어서의 침식이 많아지고, 상기 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 개시된 방법으로도, 석영 도가니 교환 빈도를 충분하게 줄일 수 없었다.

한편, 종래 방법에는 석영 도가니 교환 빈도가 많다는 문제 외에도 가동 효율이 떨어지는 문제가 있었다. 예를 들면 태양 전지용 일방향 응고를 행하는 일방향 응고법으로 결정을 제조하는데 있어서, 실리콘을 용융하는 동안에는 결정을 성장시킬 수 없기 때문에 이 용융 시간이 낭비되는 문제가 있었다. 또한, 일방향 응고법(VGF법)에서는 용해 시에 대형 도가니의 변형이나 파손이 발생할 가능성이 있어서 비용해 물질의 제거를 수행할 수 없었다.

그래서, 본 발명은 석영 도가니를 보다 장기적으로 사용할 수 있게 하고, 가동 효율의 개선을 도모할 수 있는 결정 성장 장치 및 결정 성장 방법을 제공함을 목적으로 한다. 또한, 일방향 응고법(VGF법)에서는 용해 시에 대형 도가니의 변형이나 파손을 억제하고, 미리 용융을 만들어 공급함으로써 노의 안전과 가동율을 향상시키고 비용해 물질의 제거 후의 결정 성장을 행하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 결정 성장 장치는, 석영 도가니를 구비한 결정 성장로와, 원료 용융로와, 상기 원료 용융로에서 용융 원료를 상기 석영 도가니에 반복하여 공급하는 공급 수단을 구비한다.

상기 결정 성장로는 상기 용융 원료를 공급하는 공급구를 구비하고, 상기 공급구는, 상기 원료 용융로에 대하여 분리가 자유로울 수 있다.

상기 원료 용융로 주위에 복수의 상기 결정 성장로가 배치되어 있을 수 있다.

상기 원료 용융로는 비용해 물질 분리 수단을 구비하고 있을 수 있다.

본 발명에 관한 결정 성장 방법에서는, 석영 도가니에 미리 용해한 용융 원료를 충전한다.

본 발명에 관한 결정 성장 방법에 있어서, 상기 충전 전에 상기 용융 원료에서 비용해 물질을 제거해도 좋다.

본 발명에 관한 결정 성장 장치 및 결정 제조 방법에 의하면, 석영 도가니는 결정을 생성하기 위한 원료 용융에는 사용되지 않고, 미리 용해한 용융 원료의 수용만을 하기 때문에 내면이 손상되는 일이 없다. 즉, 석영의 연화점(軟化點) 온도까지 올려서 다결정 원료를 용해할 필요가 없어서 석영의 변형도 적다. 또한, 종래의 재충전 방법에서는 고체 원료 실리콘을 용해하는 시간이 낭비되었지만, 단시간에 결정 성장 작업이 수행됨에 따라서 석영 도가니를 보다 장기적으로 사용할 수 있고 가동 효율 개선을 도모할 수 있다.

또한, 용융 원료를 석영 도가니에 충전하기 전에 그곳에서 불순물을 동반한 비용해 물질을 제거하면, 원료를 재활용하는 경우에도 비용해 물질이 용융 원료에 혼입되어 발생하는 결정 불량을 방지할 수 있다. 따라서, 원료 중의 비용해 물질에 의한 결정 품질 저하 및 결정 붕괴를 줄이고, 저단가 원료 사용을 가능하게 하며, 또한 석영 도가니의 장기적인 사용이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 관한 결정 성장 장치에 있어서, 결정 성장로가 원료 용융로에 대해 분리가 자유로운 공급구를 구비하고 있으면, 결정 성장로와 원료 용융로는 석영 용융로에 용융 원료를 공급할 때만 결합하고, 그 외에는 분리된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 결정 성장로에 있어서 압력 관리를 보다 정확하게 행할 수 있고, 석영 도가니를 보다 장기적으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 원료 용융로에 대해 분리가 자유로운 공급구를 구비하는 복수의 결정 성장로를 원료 용융로 주위에 배치하면, 복수의 결정 성장로를 한 번에 이동할 수 있고, 장치 전체 가동 효율을 더욱 개선할 수 있다.

도 1 및 도 2에 본 발명에 관한 결정 성장 장치의 주요 부분의 개략적인 구성을 나타낸다.

도 1은 결합된 상태에 있는 결정 인상로와 원료 용융로를 나타내는 측면도, 도 2는 결정 인상로와 원료 용융로의 배치를 나타내는 평면도이다. 또한, 장치의 개략을 이해하기 쉽게 설명하기 위해, 각 부의 크기나 형상은 각 도면에 있어서 적절히 조정되어 있고, 각 도면 사이에서 일치하지 않는 경우도 있다.

이 장치는 초크랄스키법에 의한 결정 인상을 하는 4개의 결정 인상로(9)를 구비한다. 이 결정 인상로(9)는 석영 도가니(1)와, 이 석영 도가니(1)를 수용하는 진공 챔버(2)로 구성되고, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등의 불활성 가스의 분위기에서 용융 원료(3)의 유지나 결정(4)의 인상 조작을 할 수 있도록 되어 있다. 진공 챔버(2)에는 인상된 결정(4)을 반출할 때와 석영 도가니(1)에 원료 충전을 할 때에 개폐하는 메인 게이트 밸브(5)와 서브 게이트 밸브(6)가 설치되어 있다. 또한, 진공 챔버(2)의 내부에는 결정(4)의 인상 기구(7)가 설치되어 있다.

그리고, 이 장치는 원료 용융로(10)를 구비한다. 원료 용융로(10)는 용융 도가니(11)와, 이 용융 도가니(11)를 수용하는 진공 챔버(12)로 구성되어, 헬륨 가스, 아르곤 가스 등의 불활성 가스의 분위기에서 결정 원료를 용융 도가니(11)에서 용해할 수 있다. 또한, 용융 도가니(11)의 위쪽에는 용융 도가니(11)에 고체 원료(다결정 실리콘 등)를 공급하기 위한 호퍼(13)가 설치되고, 이 호퍼(13)의 하부에서 연결되는 공급로(14)를 통해 고체 원료가 용융 도가니(11)에 공급된다. 한편, 원료 용융로(10)의 진공 챔버(12)는 고체 원료를 충전하기 위한 게이트 밸브(15)가 설치되어, 호퍼내의 고체 원료가 적어지면 이 게이트 밸브(15)를 통하여 원료를 보충하는 구조로 되어 있다. 또한, 게이트 밸브(15)는, 원료 보충 시에 노 안의 분위기를 악화시키지 않게 하기 위한 도시되지 않은 에어록 구조를 구비한다.

상기 결정 인상로(9)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 원료 용융로(10)를 중심으로 해서, 그 주위에 같은 간격으로 배치되어 있다. 그리고 결정 인상로(9)와 원료 용융로(10)의 사이에는, 용융 원료(3)의 공급 장치(20)가 설치되어 있다. 공급 장치(20)는 결정 인상로(9)와 원료 용융로(10)를 공기가 새지 않도록 연결하는 나선형 구조부(21)와, 나선형 구조부(21) 내에서 용융 도가니(3)에서 석영 도가니(1)에 이르는 공급관(22)으로 구성되어 있다. 공급관(22)은 투명 석영관의 바깥 둘레에 가열 코일을 감아 단열재로 씌운 것으로, 지지대(23)에 의해 원료 용융로(10)의 내부에서 연직 방향 및 수평 방향(도 1의 화살표 방향)으로 자유롭게 이동할 수 있게 지지되어 있다. 이 경우, 원료 용융로(10)가 결정 성장로 방향으로 이동이 가능한 구조라도 좋다. 또한, 나선형 구조부(21)의 결정 성장로(9) 측의 끝 부분에는 공급관(22)이 원료 용융로(10)를 일정 각도 회전하여 4개의 결정 인상로(9) 각각에 용융 원료(3)를 공급할 수 있는 구조로 되어 있다. 이 경우도 접속 부분에 있어서 에어록 구조로 함으로써 연결이나 분리를 자유롭게 행할 수 있다.

또한, 결정 인상로(9)와 원료 용융로(10) 각각에는 노 안의 배기량을 조절하기 위한 도시되지 않은 감압 밸브가 설치되어 있고, 이 감압 밸브의 개폐량을 변화시킴에 따라 노 내부 압력이 조정되는 구조로 되어 있다.

상기 구성으로부터 이루어지는 결정 성장 장치를 사용한 결정 성장 방법은, 이하 수단으로 실시할 수 있다.

우선, 결정을 성장시키는 공정에 들어가기 전에, 원료 용융로(10)에 있어서 원료를 용해하여 용융 원료(3)를 제조한다. 이 용융 원료(3)의 제조 공정에서는, 게이트 밸브(15)를 열어서 고체 원료를 호퍼(13)에 충전한 후에 게이트 밸브(15)를 닫는다. 그리고, 불활성가스 분위기에서 용융 도가니(11)를 가열함으로써, 용융 원료(3)를 제조할 수 있다. 또한, 용융 원료 제조 공정에서는, 원료 용해로(10)의 압력을 통상의 결정 성장 시에 비해 높게 설정한다. 예를 들어 25Torr ~ 650Torr로 할 수 있다. 이와 같이 통상 결정 성장의 압력 조건을 높게 설정함으로써 히터로부터의 열전도를 개선할 수 있다. 또한, 25Torr이하에서 단시간에 용융하기 위하여 고온 가열하면, 갑자기 끓어오르는 현상을 일으킬 가능성이 높아 바람직하지 못하다. 압력 조정은 상기 감압 밸브에 의해 이루어진다.

용융 원료(3)를 제조한 후에 이어서 석영 도가니(11)에 공급한다. 이 공급 작업에서는, 먼저 미리 감압된 불활성 가스 분위기 상태로 되어 있는 결정 인상로(9)에, 나선형 구조부(21)를 통해 원료 용융로(10)를 접속한다. 결정 인상로(9)와 원료 용융로(10)를 접속한 후에, 원료 용융로(10)와 결정 인상로(9)의 노 안의 압력이나 분위기 조건이 같도록 압력 조정을 한다. 그리고 나서, 차단 밸브를 열고 지지대(23)를 움직여 공급관(22)의 일단이 용융 도가니(11)의 용융 원료(3)에 잠긴 상태가 되도록, 다른 한쪽이 석영 도가니(1)내에 배치된 상태가 되도록 조정한다. 이때, 용융 도가니(11)는 석영 도가니(1)보다 높은 위치가 되도록 조정하고, 양 도가니(1, 11)의 높이차를 이용해서 용융 도가니(11)에서 석영 도가니(1)로 용융 원료(3)를 공급한다. 공급관(22) 투명 석영관은, 실리콘의 경우 1000℃에서 1420℃ 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 공급이 끝나면 다시 지지대(23)를 움직여서 공급관(22) 전체가 나선형 구조부(21)에 수용되게 한 상태에서 차단 밸브를 닫는다. 그리고, 원료 용융로(10)를 회전시켜서 다른 결정 인상로도 같은 방법으로 공급한다.

또한, 결정 인상로(9) 압력은, 결정에 불연속부가 형성되는 원인이 되는 SiO 생성의 배기를 순조롭게 할 수 있는 감압 상태로 하기 위하여, 10Torr ~ 30Torr의 감압 레벨로 조정하는 것이 바람직하다. 그러기 위해서, 원료 용융로(10)와 결정 인상로(9)가 연결되었을 때에, 양 노(9, 10) 사이에 압력차가 생기지 않도록 결정 인상로(9)의 노 안의 압력으로 원료 용융로(10)의 노 안의 압력을 맞추어, 노 사이의 압력차에 의하여 차단 밸브 개폐 시의 노 사이에 난류가 발생하지 않도록 한다. 따라서, 양 노(9, 10) 압력이 동일한 것을 확인한 후, 차단 밸브 개폐를 실시한다.

석영 도가니(1)에 용융 원료(3)를 공급하고 나서, 이어서 결정(4)의 생성을 실시한다. 이 결정 생성 공정에서는, 진공 챔버(2) 내부에 설치된 인상 기구(7)를 사용하여, 용융 원료(3)에서 결정(4) 인상을 한다. 또한, 그 내용은 공지의 초크랄스키법과 동일한 방법이기 때문에 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 결정 인상로(9)는 알방향 응고법(VGF법)을 행하는 일방향 응고로(VGF로)로 해도 무방하다. 이 경우에도 결정 성장 도가니의 변형이나 파손 사고를 줄이고, 용해 시간을 단축, 안전 조업을 용이하게 행할 수 있다.

결정(4) 생성이 끝나면, 마지막으로 결정(4) 회수를 실시한다. 이 회수 공정에서는 진공 챔버(2)의 서브 게이트 밸브(6)를 닫음으로, 석영 도가니(1)를 불활성 가스 분위기로 유지한 채로 결정(4)을 진공 챔버(2)로부터 꺼낼 수 있다.

이후, 결정 성장 공정과 공급 공정을 반복함으로써, 석영 도가니(1)를 장기간 사용하면서 결정(4)을 제조할 수 있다.

용융 원료(3)는, 통상 다결정 고체 원료를 녹여서 얻어지지만, 용융 원료(3)에는 매우 높은 순도가 요구되기 때문에, 그 기본이 되는 고체 원료의 순도도 가능한 한 높은 것이 바람직하다. 그러나, 결정(4)을 가공할 때 발생하는 찌꺼기 등을 재이용 하는 경우 등의 고체 연료 순도가 낮아지는 상황도 발생할 수 있다. 그러한 경우에는, 용융 도가니(11)에서 불순물을 포함하는 비용해 물질을 제거한 후 석영 도가니(1)에 공급하면 된다.

도 3은 비용해 물질을 제거하기 위한 원리를 나타낸다. 비용해 물질은 용융 원료(3) 표면에 나타나기 때문에, 용융 도가니(11) 표면에서 비용해 물질을 유출시키기 위해 가이드(30)를 설치함으로써 비용해 물질을 매우 쉽게 제거 할 수 있다. 이 때, 비용해 물질이 제거되었는지를 확인하기 위해 감시창(31)을 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 석영 도가니(1)를 원료 용융에 사용하지 않고, 원료 용융은 석영 도가니와 별개의 용융 도가니(11)에서 행함에 의해서 불순물 제거가 가능하게 되고, 순도가 낮은 원료를 사용한 경우에도 석영 도가니(1)의 장기적인 사용이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 관한 결정 성장 장치의 개략적인 구성을 나타낸 결합된 상태의 결정 인상로와 원료 용융로의 측면도이다.

도 2는 결정 인상로와 원료 용융로의 배치를 나타낸 평면도이다.

도 3은 본 발명에 관한 결정 성장 장치의 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타낸 결합된 상태의 결정 인상로와 원료 용융로의 측면도이다.

<부호의 설명>

1: 석영 도가니

2, 12: 진공 챔버

3: 용융 원료

4: 결정

5: 메인 게이트 밸브

6: 서브 게이트 밸브

7: 인상 기구

10: 원료 용융로

11: 용융 도가니

13: 호퍼

14: 공급로

15: 게이트 밸브

20: 공급 장치

21: 나선형 구조부

22: 공급관

23: 지지대

30: 가이드

31: 감시창

Claims

석영 도가니를 구비한 결정 성장로와, 원료 용해로와, 상기 원료 용해로에서 용융 원료를 상기 석영 도가니에 반복하여 공급하는 공급 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 결정 성장로는 상기 용융 원료를 공급하는 공급구를 구비하고, 상기 공급구는 상기 원료 용융로에 대하여 분리가 자유로운 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 원료 용융로의 주위에 복수의 상기 결정 성장로가 배치되는 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료 용융로는 비용해 물질 분리 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치.
석영 도가니에 미리 용해한 용융 원료를 충전하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 충전 전에 상기 용융 원료에서 비용해 물질을 제거 하는 것을 특징으로 하는 결정 성장 방법.