KR20110004127A - 다결정 실리콘 성장용 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예는, 실리콘이 장입되는 제1도가니와, 제1도가니와 다른 재질로 이루어지고 제1도가니가 내부에 놓이도록 형성된 제2도가니를 포함하는 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공한다.

다결정, 실리콘, 도가니

Description

다결정 실리콘 성장용 도가니{Crucible for Manufacturing Polycrystal Ingot}

본 발명은 다결정 실리콘 성장용 도가니에 관한 것이다.

최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서도 태양전지는 에너지 자원이 풍부하고 환경오염에 대한 문제점이 없어 주목받고 있다.

태양전지는 다이오드와 같이 p타입 반도체와 n타입 반도체의 접합 구조를 가지며, 태양전지에 빛이 입사되면 빛과 태양전지의 반도체를 구성하는 물질과의 상호 작용으로 음전하를 띤 전자와, 전자가 빠져나가 양전하를 띤 정공이 발생하여 이들이 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 태양전지를 제조할 때 사용되는 재료로는 단결정이나 다결정 실리콘이 선택될 수 있다.

통상 다결정 실리콘의 잉곳 성장은 결정성장로에서 진행된다. 결정성장로 내에는 실리콘이 장입되는 도가니와, 도가니 주위를 감싸는 그라파이트(Graphite) 재질의 판재가 사용된다.

그라파이트 판재는 몰리브덴 와이어에 의해 도가니 주위를 묶도록 설비되며 이는 도가니가 열에 의해 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다. 종래 결정성장로 내에 배치된 도가니는 실리콘 산화물(SiO2)이 주요 재질을 구성하기 때문에 실리콘에 비해 불순물의 함량이 많은 탓에 연속 사용시 품질을 떨어뜨리는 요인이 되므로 일회용으로 사용된다. 그리고 이 도가니는 냉각 시간 동안 파괴를 유발하는 위상 전이를 받게 되므로 일 회 이상의 사용이 어려운 문제가 있다.

상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예는, 고 품질의 잉곳을 생산할 수 있고 재사용성을 높여 잉곳 생산시의 비용을 절감할 수 있는 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공하는 것이다.

상술한 과제 해결 수단으로 본 발명의 실시예는, 실리콘이 장입되는 제1도가니와, 제1도가니와 다른 재질로 이루어지고 제1도가니가 내부에 놓이도록 형성된 제2도가니를 포함하는 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공한다.

제1도가니는, 순도 4N ~ 7N의 석영으로 이루어질 수 있다.

제2도가니는, 그라파이트(Graphite) 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함할 수 있다.

제1도가니는, 상광하협한 넓이로 형성될 수 있다.

제1도가니는 사각형 모양으로 각 벽면의 모서리는 라운드 형태를 이룰 수 있다.

제1도가니의 외형과 제2도가니의 내형 간의 틈은, 0.2mm ~ 20mm일 수 있다.

제2도가니는, 일체형으로 구성될 수 있다.

제2도가니는, 분리 구성될 수 있다.

제2도가니는, 상부 측벽의 두께보다 하부 측벽의 두께가 더 두꺼울 수 있다.

제1도가니의 내 측면은, 적어도 일면이 코팅될 수 있다.

본 발명은 2중 구조로 형성된 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공하여 고 품질의 잉곳 생산성을 향상시킴과 아울러 재사용성을 높여 잉곳 생산시의 비용을 절감할 수 있는 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공하는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 잉곳 과의 분리가 용이하고 내구성이 우수한 다결정 실리콘 성장용 도가니를 제공하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 성장용 도가니를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 제1도가니의 평면도이며, 도 3은 제2도가니의 평면도이고, 도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 도가니가 결정성장로에 배치된 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 성장용 도가니(150)는 실리콘이 장입되는 제1도가니(151)와, 제1도가니(151)와 다른 재질로 이루어지고 제1도가니(151)가 내부에 놓이도록 상대적으로 큰 크기로 형성된 제2도가니(155)를 포함한다. 제1도가니(151)의 외형과 제2도가니(155)의 내형 간의 틈은 0.2mm ~ 20mm이다. 이와 같은 수치로 제1도가니(151)의 외형과 제2도가니(155)의 내형 간의 틈을 갖도록 하면, 제2도가니(155)의 내부에 놓이는 제1도가니(151)의 삽입 및 회수의 용이성을 높일 수 있게 된다.

도 2를 참조하면, 제1도가니(151)는 상광하협한 넓이로 형성된다. 제1도가니(151)를 상광하협한 넓이로 형성하면, 이형성을 높일 수 있어 잉곳으로 성장된 다결정 실리콘을 제1도가니(151)로부터 용이하게 분리할 수 있게 된다. 그리고 제1도가니(151)는 사각형 모양으로 각 벽면의 모서리는 라운드 형태 예컨대, 0.5R(round) 이상의 라운드를 이룰 수 있다.

이와 같이 제1도가니(151)의 벽면 모서리를 라운드 형태로 형성하면 장입되는 실리콘의 수용성을 높일 수 있음은 물론 이후 잉곳으로 성장된 다결정 실리콘과 제1도가니(151) 간의 이형성 또한 높일 수 있다. 그리고 제1도가니(151)의 내 측면은 적어도 일면이 코팅된 영역(CA)을 가질 수 있는데, 코팅시 사용될 수 있는 재료는 실리콘질화물(SiNx)이 선택될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 제1도가니(151)의 내 측면을 코팅하면 잉곳으로 성장된 다결정 실리콘과 제1도가니(151) 간의 이형성을 더욱 높일 수 있다.

한편, 제1도가니(151)는 내부 공간에 장입된 실리콘을 잉곳으로 성장시킬 때, 제1도가니(151)가 일회용이 아닌 연속 사용 가능함은 물론 성장된 잉곳의 품질을 높일 수 있도록 순도 4N(99.99 wt%) ~ 7N(99.99999 wt%)의 석영으로 이루어질 수 있다. 석영으로 이루어진 제1도가니(151)의 순도가 4N 이상이 되면 종래 도가니보다 불순물의 함량을 낮출 수 있어 잉곳의 품질을 높일 수 있게 된다. 그리고 제1 도가니(151)의 순도가 7N 이하가 되면 제1도가니(151)의 재사용성을 높일 수 있음은 물론 잉곳의 품질을 높일 수 있으므로 도가니의 단가 상승에 따른 문제를 줄일 수 있게 된다.

도 3을 참조하면, 제2도가니(155)는 적어도 2개의 조각으로 분리 구성될 수 있다. 제2도가니(155)가 2개의 조각으로 구성된 경우 모서리에 위치하는 "JA"부분에서 결합이 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 제2도가니(155)를 형성할 때, 적어도 2개의 조각으로 구성하게 되면 취급의 용이성을 배가시킬 수 있고 공정시 취급 부주의 등에 의해 일부가 파손되더라도 교체가 용이하다. 이와 같이 제2도가니(155)는 목적에 따라 적어도 2개의 조각으로 구성될 수 있지만, 이와 달리 제2도가니(155)는 일체형으로 구성될 수도 있다.

한편, 제2도가니(155)는 상부 측벽의 두께보다 하부 측벽의 두께가 더 두껍게 형성될 수 있다. 상부 측벽의 두께보다 하부 측벽의 두께를 더 두껍게 형성하면 도가니의 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있다. 앞서 설명한 제2도가니(155)는 그라파이트(Graphite) 또는 탄화실리콘(SiC)으로 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 결정성장로(120) 내에는 도가니(150)와 판재(160)를 지지하는 지지부재(165), 결정성장로(120) 내부의 온도가 저하되는 것을 방지하고 도가니(150) 주위로 고온이 유지되도록 하는 측벽 단열제(140) 및 결정성장로(120) 내의 온도를 고온으로 끌어올리는 히팅부(130)가 포함된다. 이 밖에, 도시하지 않았지만 결정성장로(120) 내에는 내부 온도를 적정 수준으로 유지하며 도가 니(150) 내에 장입된 실리콘(180)을 효율적이고 안전하게 성장시키기 위해 다른 부재들이 더 포함될 수도 있다.

실시예에 따른 도가니(150)는 그라파이트 재질의 판재(160)에 의해 주변이 묶임으로써 열에 의한 변형이 방지된다. 그라파이트 판재(160)는 몰리브덴 와이어 등에 의해 도가니(150) 주위를 묶도록 설비될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

통상 도가니(150) 내에 실리콘(180)이 장입되고 나면 결정성장로(120)는 기밀되며 히팅부(130)에 의해 내부 온도가 대략 1500℃ 정도가 되도록 가열된다. 도가니(150) 내에 장입된 실리콘(180)은 대략 50 시간의 용융 과정과 냉각 과정을 거치면서 잉곳으로 성장되는데, 이 과정에서 실시예에 따른 도가니(150)는 앞서 설명한 바와 같이 2중 구조로 형성되어 있어 열팽창에 의한 파손으로부터 강한 내구성을 유지할 수 있게 된다. 아울러, 실시예에 따른 도가니(150)는 고순도의 재질로 이루어져 있어 고 품질의 잉곳을 형성할 수 있다. 그리고, 실시예에 따른 도가니(150)는 구조적으로 높은 이형성이 있어 성장된 잉곳 과의 분리가 용이함은 물론 수회 재사용이 가능하므로 잉곳 형성시의 비용을 절감할 수 있게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발 명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다결정 실리콘 성장용 도가니를 설명하기 위한 도면.

도 2는 제1도가니의 평면도.

도 3은 제2도가니의 평면도.

도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 도가니가 결정성장로에 배치된 것을 개략적으로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

120: 결정성장로 130: 히팅부

140: 측벽 단열제 160: 판재

165: 지지부재 150: 도가니

151: 제1도가니 155: 제2도가니

180: 실리콘

Claims (10)

1. 실리콘이 장입되는 제1도가니와,

   상기 제1도가니와 다른 재질로 이루어지고 상기 제1도가니가 내부에 놓이도록 형성된 제2도가니를 포함하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1도가니는,

   순도 4N ~ 7N의 석영으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2도가니는,

   그라파이트(Graphite) 또는 탄화실리콘(SiC)을 포함하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1도가니는,

   상광하협한 넓이로 형성된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1도가니는 사각형 모양으로 각 벽면의 모서리는 라운드 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1도가니의 외형과 상기 제2도가니의 내형 간의 틈은,

   0.2mm ~ 20mm인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제2도가니는,

   일체형으로 구성된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제2도가니는,

   분리 구성된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.
9. 제1항에 있어서,

   상기 제2도가니는,

   상부 측벽의 두께보다 하부 측벽의 두께가 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 다 결정 실리콘 성장용 도가니.
10. 제1항에 있어서,

    상기 제1도가니의 내 측면은,

    적어도 일면이 코팅된 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 성장용 도가니.

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