KR20120005925A

KR20120005925A - 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법

Info

Publication number: KR20120005925A
Application number: KR1020100126874A
Authority: KR
Inventors: 와타루 스기무라; 타카히로 아베; 노부마사 나이토우
Original assignee: 가부시키가이샤 사무코
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-01-17
Also published as: JP2012017232A

Abstract

바닥이 없는 냉각 도가니를 이용하여, 전자(電磁) 유도에 의해 다결정 실리콘을 연속적으로 주조하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법으로서, 주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열(均熱)할 때에, 900℃ 이하로 보지(保持)하여 균열함으로써, 실리콘 잉곳이 고온에 체류하는 시간이 짧아지기 때문에, 실리콘 잉곳 외주 표면에 도입된 금속 불순물이 분자의 확산 운동에 의해 외주 표면으로부터 내부로 침입하는 범위를 좁게 할 수 있고, 잉곳 외주에 형성되는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

실리콘 잉곳의 연속 주조 방법{METHOD FOR CONTINUOUS CASTING OF SILICON INGOT}

본 발명은, 태양전지용 기판의 소재인 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 주조된 실리콘 잉곳의 외주에 존재하는 금속 불순물에 의해 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에 관한 것이다.

최근, CO₂ 배출에 의한 지구 온난화 문제나 에너지 자원의 고갈 문제가 심각화되고 있어, 그들 문제의 대응책의 하나로서, 무진장으로 내리쬐는 태양광 에너지를 활용하는 태양광 발전이 주목을 받고 있다. 태양광 발전은, 태양전지를 사용하여 태양광 에너지를 직접 전력으로 변환하는 발전 방식으로, 태양전지의 기판에는, 다결정의 실리콘 웨이퍼를 이용하는 것이 주류이다.

태양전지용의 다결정 실리콘 웨이퍼는, 일방향성 응고의 실리콘 잉곳을 소재로 하여, 이 잉곳을 슬라이스하여 제조된다. 이 때문에, 태양전지의 보급을 도모하려면, 실리콘 웨이퍼의 품질을 확보함과 함께, 비용을 저감할 필요가 있어, 그 전(前)단계에서, 고품질의 실리콘 잉곳을 염가로 제조하는 것이 요구된다. 이 요구에 대응할 수 있는 방법으로서, 전자(電磁) 유도를 이용한 연속 주조 방법인 EMC법(Electromagnetic Casting법, 전자 주조법)이 실용화되고 있다.

도 1은, EMC법에 이용하는 대표적인 연속 주조 장치(이하, 「EMC로(爐)」라고 함)의 구조를 나타내는 모식도(schematic view)이다. 동(同) 도면에 나타내는 바와 같이, EMC로는 챔버(1)를 구비한다. 챔버(1)는, 내부를 외기로부터 격리하여 주조에 적합한 불활성 가스 분위기로 유지하는 2중벽 구조의 수냉 용기이다. 챔버(1)의 상벽에는, 개폐 가능한 셔터(2)를 개재하여, 도시하지 않은 원료 공급 장치가 연결되어 있다. 챔버(1)는, 상부의 측벽에 불활성 가스 도입구(5)가 형성되고, 하부의 측벽에 배기구(6)가 형성되어 있다.

챔버(1) 내에는, 바닥이 없는 냉각 도가니(7), 고주파 코일(8), 애프터 히터(9) 및 균열(均熱)통(10)이 배치되어 있다. 바닥이 없는 냉각 도가니(7)는, 융해 용기로서뿐만 아니라, 주형으로서도 기능하고, 열전도성 및 전기 전도성이 우수한 금속(예를 들면, 구리)제의 각통(角筒)체로, 챔버(1) 내에 매달려 있다. 이 냉각 도가니(7)는, 상부를 남기고 둘레 방향에서 복수의 단책(短冊) 형상의 소편(素片)으로 분할되어, 내부를 유통하는 냉각수에 의해 강제 냉각된다.

고주파 코일(8)은, 냉각 도가니(7)를 둘러싸도록, 냉각 도가니(7)와 동심(同芯)으로 둘러 설치되고, 도시하지 않은 전원 장치에 접속되어 있다. 애프터 히터(9)는, 냉각 도가니(7)의 하방에 냉각 도가니(7)와 동심으로 복수 연이어 설치되고, 잉곳(3)을 가열하는 히터나 보온재로 구성된다. 균열통(10)은, 애프터 히터(9)의 하방에 애프터 히터(9)와 동심으로 복수 연이어 설치되고, 잉곳(3)을 가열하는 히터나 보온재로 구성된다.

또한, 챔버(1) 내에는, 원료 공급 장치에 연결된 셔터(2)의 하방에 원료 도입관(11)이 부착되어 있다. 셔터(2)의 개폐에 수반하여, 입상(粒狀)이나 괴상(塊狀)의 실리콘 원료(12)가 원료 공급 장치로부터 원료 도입관(11) 내에 공급되어, 냉각 도가니(7) 내에 장입된다.

챔버(1)의 저벽(底壁)에는, 균열통(10)의 하방에, 잉곳(3)을 뽑아내기 위한 인출구(4)가 형성되고, 이 인출구(4)는 가스로 시일되어 있다. 잉곳(3)은, 인출구(4)를 관통하여 하강하는 지지대(15)에 의해 지지되면서 인하(引下)된다.

냉각 도가니(7)의 바로 위에는, 플라즈마 토치(14)가 승강 가능하게 형성되어 있다. 플라즈마 토치(14)는, 도시하지 않은 플라즈마 전원 장치의 한쪽 극에 접속되고, 다른 한쪽 극은, 잉곳(3)측에 접속되어 있다. 이 플라즈마 토치(14)는, 하강시킨 상태에서 냉각 도가니(7) 내에 삽입된다.

이러한 EMC로(爐)를 이용한 EMC법에서는, 바닥이 없는 냉각 도가니(7)에 실리콘 원료(12)를 장입하고, 고주파 코일(8)에 교류 전류를 인가함과 함께, 하강시킨 플라즈마 토치(14)에 통전을 행한다. 이때, 냉각 도가니(7)를 구성하는 단책 형상의 각 소편이 서로 전기적으로 분할되어 있는 점에서, 고주파 코일(8)에 의한 전자 유도에 수반하여 각 소편 내에서 와전류가 발생하여, 냉각 도가니(7)의 내벽측의 와전류가 바닥이 없는 냉각 도가니(7) 내에 자계(magnetic field)를 발생시킨다. 이에 따라, 냉각 도가니(7) 내의 실리콘 원료(12)는 전자 유도 가열되어 융해되어, 용융 실리콘(13)이 형성된다. 또한, 플라즈마 토치(14)와 실리콘 원료(12), 나아가서는 용융 실리콘(13)과의 사이에 플라즈마 아크가 발생하고, 그 줄(Joule) 열에 의해서도, 실리콘 원료(12)가 가열되어 융해되어, 전자 유도 가열의 부담을 경감시켜 효율 좋게 용융 실리콘(13)이 형성된다.

용융 실리콘(13)은, 냉각 도가니(7)의 내벽의 와전류에 수반하여 발생하는 자계와, 용융 실리콘(13)의 표면에 발생하는 전류와의 상호 작용에 의해, 용융 실리콘(13)의 표면의 내측 법선 방향으로 힘(핀치력)을 받기 때문에, 냉각 도가니(7)와 비(非)접촉의 상태로 보지(保持;holding)된다. 바닥이 없는 냉각 도가니(7) 내에서 실리콘 원료(12)를 융해시키면서, 용융 실리콘(13)을 지지하는 지지대(15)를 서서히 하강시키면, 고주파 코일(8)의 하단으로부터 멀어짐에 따라 유도 자계가 작아지는 점에서, 발열량 및 핀치력이 감소하고, 추가로 냉각 도가니(7)로부터의 냉각에 의해, 용융 실리콘(13)은 외주로부터 응고가 진행된다. 그리고, 지지대(15)의 하강에 수반하여 실리콘 원료(12)를 연속적으로 장입하여, 융해 및 응고를 계속함으로써, 용융 실리콘(13)이 일방향으로 응고하여, 잉곳(3)을 연속하여 주조할 수 있다.

응고한 잉곳(3)은, 애프터 히터(9) 및 균열통(10)을 이용하여 장시간에 걸쳐 실온까지 냉각된다. 냉각할 때에 잉곳(3)에 결함이 발생하는 것을 방지하기 위해, 애프터 히터(9)가 구비하는 히터에 의해 잉곳(3)을 가열하여, 인하축 방향으로 적절한 온도 구배를 부여한다. 또한, 냉각에 의해 잔류 응력이 발생하여, 잉곳(3)에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위해, 냉각할 때에 균열통(10)이 구비하는 히터에 의해 잉곳(3)을 가열하여, 소정 온도로 일정 시간 보지하여 균열한다. 균열할 때에 잉곳(3)을 보지하는 온도는, 1200℃를 초과하는 온도에서는 전위(轉位)가 증식하는 속도가 빨라, 즉 결함이 발생하기 쉬운 점에서, 통상 1100℃ 정도에서 행해진다.

이러한 EMC법에 의하면, 용융 실리콘(13)과 바닥이 없는 냉각 도가니(7)와의 접촉이 경감되기 때문에, 그 접촉에 수반하는 냉각 도가니(7)로부터의 불순물의 오염이 방지되어, 고품질의 잉곳(3)을 얻을 수 있다. 게다가, 연속 주조인 점에서, 염가로 일방향 응고된 잉곳(3)을 제조하는 것이 가능해진다.

EMC법에 의해 실리콘 잉곳을 주조하는 방법에 관하여, 종래로부터 여러 가지 제안이 되어져 있어, 예를 들면 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1에서는, 주조되는 잉곳을 냉각할 때에, 1420℃에서 1200℃까지의 온도역(域)을 통과할 때의 온도 구배를 15∼25℃/cm의 범위 내로 제어하는 잉곳의 연속 주조 방법이 제안되고 있다. 특허문헌 1에서는, 1420℃에서 1200℃까지의 좁은 온도역에서 온도 구배를 제어함으로써, 주조되는 잉곳에 있어서 결함의 발생을, 용이하고 그리고 간단하게 방지할 수 있다고 되어 있다.

일본국특허 제3005633호 공보

종래의 EMC법에 의한 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에서는, 주조된 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼에 대해서, 금속 불순물에 의한 오염을 평가하는 라이프 타임 평가를 실시하면, 금속 불순물에 오염된 저(低)라이프 타임 영역이 반드시 웨이퍼의 일부의 외주에 존재한다.

후술하는 도 5는, 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에 의해 주조된 잉곳을 분할한 후, 웨이퍼를 잘라내어, 당해 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면이다. 동 도면의 라이프 타임 평가는, 후술하는 실시예의 비교예 1에 의해 얻어진 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내고, 웨이퍼 외주(40a)를 2점쇄선으로 나타낸다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 외주(40a) 중의 2변에서 폭 40mm 정도의 저라이프 타임 영역이 확인되고, 저라이프 타임 영역은 웨이퍼 표면의 약 44％를 차지한다.

이러한 저라이프 타임 영역은, 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때, 광전 변환 효율을 악화시킨다. 또한, 웨이퍼에서 확인되는 저라이프 타임 영역은, 분할하여 잘라내기 전의 잉곳에서는 외주(外周)에 위치한다. 따라서, 주조되는 잉곳의 외주에 있어서, 금속 불순물에 의해 오염된 영역을 축소시킴으로써, 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼의 저라이프 타임 영역을 축소시켜, 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시키는 것이 요망된다.

본 발명은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 주조된 실리콘 잉곳의 외주에 존재하는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳을 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

주조되는 실리콘 잉곳을 애프터 히터나 균열통을 이용하여 냉각할 때, 금속 불순물이 애프터 히터나 균열통과 같은 로(爐) 내 부품으로부터 챔버 내의 분위기로 방출된다. 분위기에 포함되는 금속 불순물이, 잉곳 외주 표면과 접촉하여 잉곳에 취입된 후, 분자의 확산 운동에 의해 잉곳의 표면으로부터 내부로 침입함으로써, 잉곳 외주에 금속 불순물로 오염된 영역을 형성한다.

이와 같이 잉곳 외주에 형성되는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소하기 위해, 본 발명자들은 여러 가지 시험을 행하여 예의 검토를 거듭한 결과, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에 고온에 체류하는 시간을 짧게 함으로써, 잉곳 외주의 금속 불순물로 오염된 영역을 축소할 수 있는 것을 인식했다.

본 발명은, 상기한 인식에 기초하여 완성한 것으로, 하기의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 요지로 하고 있다.

바닥이 없는 냉각 도가니를 이용하여, 전자 유도에 의해 다결정 실리콘을 연속적으로 주조하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법으로서, 주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법.

본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법은, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열함으로써, 주조된 실리콘 잉곳의 외주에 존재하는 금속 불순물에 의해 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 EMC법에 이용하는 대표적인 연속 주조 장치(이하, 「EMC로」라고 함)의 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명 및 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조법에 의해 주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열할 때, 실리콘 잉곳의 온도와 경과 시간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 실리콘 잉곳을 분할하는 위치를 나타내는 모식도이다.
도 4(a)∼(h)는 광전 변환 효율 측정용의 시료의 작성 수순을 나타내는 공정도로서, 도 4(a)는 잘라낸 상태의 웨이퍼이고, 도 4(b)는 대미지층을 제거한 웨이퍼이고, 도 4(c)는 n⁺층 및 PSG막이 형성된 웨이퍼이고, 도 4(d)는 보호 필름을 접착한 웨이퍼이고, 도 4(e)는 실리콘이 노출된 상태의 웨이퍼이고, 도 4(f)는 알루미늄 전극이 증착된 웨이퍼이고, 도 4(g)는 은 전극을 도포한 웨이퍼이고, 도 4(h)는 은 전극을 소성한 웨이퍼를 각각 나타낸다.
도 5는 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 이용한 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 이용한 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

전술한 대로, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법은, 바닥이 없는 냉각 도가니를 이용하여, 전자 유도에 의해 다결정 실리콘을 연속적으로 주조하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법으로서, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열하는 것을 특징으로 한다. 이하에, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을, 상기와 같이 규정한 이유 및 바람직한 범위에 대해서 설명한다.

도 2는, 본 발명 및 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조법에 의해 주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열할 때, 실리콘 잉곳의 온도와 경과 시간의 관계를 나타내는 도면이다. 동 도면은, 후술하는 실시예의 비교예 1 또는 본 발명예 1에서 실리콘 잉곳을 주조했을 때, 보텀측으로부터 2000mm의 위치에 있어서의 잉곳 외주의 표면 온도를 측정한 결과를 나타낸다. 또한, 동 도면의 횡축은, 주조된 잉곳이 냉각 도가니로부터 인하되어 애프터 히터에 장입된 시점(개시시)을 좌단의 원점으로 하고, 오른쪽으로 갈수록 시간이 경과하고 있는 것을 나타낸다.

EMC법에 의한 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에서는, 냉각 도가니를 이용하여 실리콘 원료를 용융한 후, 응고시켜 잉곳으로 한다. 도 2의 비교예 1에서 나타내는 바와 같이, 응고된 잉곳은 인하축 방향으로 적절한 온도 구배를 부여하면서 냉각된다. 냉각할 때에 잉곳에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위해, 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에서는, 1100℃ 정도로 보지하여 균열하고 있었다.

여기에서, 주조된 잉곳 외주에 존재하는 금속 불순물로 오염된 영역은, 잉곳을 애프터 히터나 균열통을 이용하여 냉각할 때에, 분위기에 포함되는 금속 불순물이 잉곳의 외주 표면에 도입된 후, 분자의 확산 운동에 의해 잉곳의 표면으로부터 내부로 침입함으로써 형성된다. 잉곳에 도입된 금속 불순물이 확산 운동하는 속도는 온도에 의존하는 점에서, 잉곳을 고온에 체류시키는 시간을 짧게 함으로써, 잉곳 외주 표면에 도입된 금속 불순물이 외주 표면으로부터 내부로 침입하는 범위를 좁게 할 수 있다.

주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 도 2의 본 발명예 1에 나타내는 바와 같이 900℃ 이하로 보지하여 균열함으로써, 종래의 1100℃ 정도로 균열하는 경우에 비하여, 잉곳이 900℃를 초과하는 고온에 체류하는 시간이 짧아진다. 이 때문에, 잉곳 외주 표면에 도입된 금속 불순물이 외주 표면으로부터 내부로 침입하는 범위를 좁게 할 수 있어, 잉곳 외주에 형성되는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소할 수 있다.

주조된 잉곳은, 일반적으로 절단하여 주기면(鑄肌面)을 제거한 후, 인하축과 평행인 단면으로 분할하여, 그 후, 웨이퍼로 잘려나온다. 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법은, 금속 불순물의 대부분을, 잉곳 외주 표면의 근방, 즉 주기면을 제거할 때에 절단되는 부분에 머무르게 할 수 있어, 잘려나온 웨이퍼에 존재하는 저라이프 타임 영역을 축소할 수 있다.

또한, 냉각하여 균열할 때에 보지하는 온도는 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 균열하는 온도를 저하시킬수록 잉곳 외주에 존재하는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소할 수 있지만, 800℃ 미만에서 균열하면, 냉각할 때에 발생하는 잔류 응력을 개방할 수 없어, 그 결과, 잉곳에 크랙이 발생하거나 혹은 잉곳을 절단할 때에 잔류 응력에 의해 단번에 깨짐이 발생하기 쉬워져, 그 결과, 웨이퍼의 제조 수율이 저하될 우려가 있기 때문이다.

균열하는 시간은, 인하축에 수직인 단면에 있어서의 잉곳의 치수나 균열하는 온도로부터 적절하게 결정할 수 있다.

잉곳 외주에 존재하는 금속 불순물로 오염된 영역을 축소하기 위해, 잉곳을 고온에 체류시키는 시간을 짧게 하는 방법으로서, 응고한 잉곳을 냉각할 때에 부여하는 온도 구배를 크게 하는 방법(냉각 속도를 증가시키는 방법)을 채용하는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 온도 구배를 크게 하면, 급냉에 의해 결정 결함이 증대하거나 발생하는 잔류 응력이 증대하여 잉곳에 크랙이 발생하거나 할 우려가 있다. 따라서, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법에서는, 잉곳을 냉각하여 균열할 때에 보지하는 온도를 저하시키는 방법을 채용했다.

(실시예)

본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법의 효과를 확인하기 위해, 하기의 시험을 행했다.

[시험 조건]

상기 도 1에 나타내는 EMC로(爐)를 이용하여, EMC법에 의해 인하 길이가 7000mm로 이루어지는 실리콘 잉곳을 연속 주조했다. EMC법에 의한 연속 주조에서는, 애프터 히터(9) 및 균열통(10)이 구비하는 히터의 출력을 조정하고, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에 보지하는 온도를 750∼1100℃로 변화시켰다. 본 실시예에서는, 주조되는 잉곳을 균열 온도까지 냉각할 때에 부여하는 온도 구배를 10℃/hr로 하고, 냉각된 잉곳의 톱측이 보지 온도에 도달하고 나서 소정 시간이 경과한 시점에서 균열 처리를 종료하고, 일정한 냉각 속도로 잉곳을 실온까지 냉각했다. 실온까지 냉각된 잉곳을 육안으로 관찰하여 크랙의 유무를 확인하는 외관 평가를 행한 후, 외주로부터 10mm의 위치에서 잉곳을 절단하여 주기면을 제거했다.

도 3은, 실리콘 잉곳을 분할하는 위치를 나타내는 모식도이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 실리콘 잉곳(20)은 인하축에 평행인 면에 있어서 세로 2개, 가로 3개로 분할하여, 인하축 방향을 길이 방향으로 하는 6개의 분할 잉곳(21)으로 했다. 본 실시예에서는, 사선을 그은 위치의 분할 잉곳(21)을 이용하여, 보텀측으로부터 2000mm의 위치로부터 웨이퍼를 잘라냈다. 잘라낸 웨이퍼를, 라이프 타임 평가에 의해 금속 불순물에 의한 오염을 조사함과 함께, 솔라셀 프로세스에 도입하여 광전 변환 효율을 측정했다.

라이프 타임의 평가는, 잘라낸 웨이퍼를 연마한 후, 불질산으로 표면 대미지층을 에칭하고, 버퍼드 불산(BHF)으로 표면 산화막을 제거하고, 추가로, 요오드로 표면을 케미컬 패시베이션(chemical passivation)한 후에 μ-PCD법을 이용하여 행했다.

도 4(a)∼(h)는, 광전 변환 효율 측정용의 시료의 작성 수순을 나타내는 공정도로서, 도 4(a)는 잘라낸 상태의 웨이퍼이고, 도 4(b)는 대미지층을 제거한 웨이퍼이고, 도 4(c)는 n⁺층 및 PSG막이 형성된 웨이퍼이고, 도 4(d)는 보호 필름을 접착한 웨이퍼이고, 도 4(e)는 실리콘이 노출된 상태의 웨이퍼이고, 도 4(f)는 알루미늄 전극이 증착된 웨이퍼이고, 도 4(g)는 은 전극을 도포한 웨이퍼이고, 도 4 (h)는 은 전극을 소성한 웨이퍼를 각각 나타낸다.

우선, 도 4(a)에 나타내는 잘라낸 상태의 웨이퍼(40)의 표면에 형성된 대미지층(41)을, 세정제를 이용하여 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 제거했다. 다음으로, 웨이퍼(40)를 인(P) 데포지션로(deposition furnace)에 도입하고, POCl₃를 확산원(源)으로 하는 인 확산을 행했다. 이에 따라, 도 4(c)에 나타내는 바와 같이 웨이퍼(40)의 표층에는 n⁺층(42)이 형성되고, 표면에는 PSG막(43)이 형성되었다.

다음으로, 도 4(d)에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(40)의 표면에 보호 필름(44)을 접착하고, 이 상태에서 n⁺층(42)을 에칭 제거했다. 이에 따라, 도 4(e)에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(40)의 이면은 실리콘이 노출된 상태가 되었다. 다음으로, 도 4(f)에 나타내는 바와 같이, 노출된 웨이퍼(40)의 이면에 알루미늄(Al) 전극(45)을 증착하고, 도 4(g)에 나타내는 바와 같이 웨이퍼(40)의 표면에 페이스트 형상의 은(Ag) 전극(46)을 도포했다. 마지막으로, 도 4(h)에 나타내는 바와 같이, 열처리에 의해 페이스트 형상의 은 전극(46)을 소성했다. 이에 따라, 은 전극(46)에 포함되는 필러가 PSG막(43)을 빠져나가기 때문에, 은 전극(46)과 n⁺층(42)이 접속된다. 웨이퍼(40)의 이면의 알루미늄 전극(45)을 먼저 형성한 것은, 은의 확산에 의한 접합 파괴를 방지하기 위해서이다.

이러한 방법으로 작성한 시료에 대하여, 솔라 시뮬레이터 및 커브 트레이서 측정기에 의해, 광전 변환 효율을 측정했다. 표 1에, 주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열할 때의 보지 온도, 태양전지에 이용했을 때의 광전 변환 효율 및, 주조된 잉곳의 외관 평가를 나타낸다. 여기에서, 표 1에 나타내는 광전 변환 효율은, 비교예 1의 광전 변환 효율을 기준(1.000)으로 한 경우의 상대값이다.

[시험 결과]

도 5는, 종래의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 이용한 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면으로, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 1100℃로 보지하여 균열한 비교예 1의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면이다.

도 6은, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을 이용한 웨이퍼의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면으로, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃로 보지하여 균열한 본 발명예 1의 라이프 타임 평가를 나타내는 도면이다.

도 5 및 6에서는 웨이퍼 외주(40a)를 2점쇄선으로 나타낸다. 또한, 도 5 및 6에서는, 범례에 나타내는 바와 같이, 백색과 흑색의 농담에 의해 라이프 타임값의 분포를 나타내고, 백색부는 라이프 타임값이 가장 높고, 흑색이 짙어짐에 따라서 라이프 타임값이 저하되어, 흑색부는 라이프 타임값이 가장 낮은 것을 나타낸다.

도 5에 나타내는 1100℃로 보지하여 균열한 비교예 1의 저라이프 타임 영역에 비하여, 900℃로 보지하여 균열한 본 발명예 1에서는, 도 6에 나타내는 바와 같이 저라이프 타임 영역이 축소되어, 그 폭은 약 40％ 감소했다.

또한, 표 1에 나타내는 결과로부터, 광전 변환 효율은, 1100℃로 보지하여 균열한 비교예 1이 가장 낮고, 균열할 때의 보지 온도가 낮아짐에 따라 향상되어, 900℃에서 보지하여 균열한 본 발명예 1에서 1.025가 되고, 750℃로 보지하여 균열한 본 발명예 3에서 1.028이 되었다. 이들로부터, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열함으로써, 잉곳으로부터 잘려나온 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 것이 분명해졌다.

주조된 잉곳의 외관 평가는, 1100∼800℃에서 보지하여 균열한 비교예 1 및 2 그리고 본 발명예 1 및 2에서는, 크랙은 관찰되지 않았던 것에 대하여, 750℃에서 보지하여 균열한 본 발명예 3에서는, 길이 5mm 정도 이하의 미소한 크랙이 관찰되었다. 이들로부터, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 800℃ 이상으로 보지하여 균열하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

이들로부터, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법은, 주조되는 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열함으로써, 주조되는 실리콘 잉곳의 외주에 존재하는 금속 불순물에 의해 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳을 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있는 것이 분명해졌다.

본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법은, 주조된 잉곳을 냉각하여 균열할 때에, 900℃ 이하로 보지하여 균열함으로써, 주조되는 실리콘 잉곳의 외주에 존재하는 금속 불순물에 의해 오염된 영역을 축소할 수 있어, 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 웨이퍼를 태양전지에 이용했을 때에 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법을, 태양전지용 웨이퍼의 제조에 적용하면, 태양전지의 품질 향상에 크게 기여할 수 있다.

1 : 챔버
2 : 셔터
3 : 실리콘 잉곳
4 : 인출구
5 : 불활성 가스 도입구
6 : 배기구
7 : 바닥이 없는 냉각 도가니
8 : 고주파 코일
9 : 애프터 히터
10 : 균열통
11 : 원료 도입관
12 : 실리콘 원료
13 : 용융 실리콘
14 : 플라즈마 토치
15 : 지지대
20 : 실리콘 잉곳
21 : 분할 잉곳
40 : 웨이퍼
40a : 웨이퍼 외주
41 : 대미지층
42 : n⁺층
43 : PSG막
44 : 보호 필름
45 : 알루미늄 전극
46 : 은 전극

Claims

바닥이 없는 냉각 도가니를 이용하여, 전자(電磁) 유도에 의해 다결정 실리콘을 연속적으로 주조하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법으로서,
주조되는 실리콘 잉곳을 냉각하여 균열(均熱)할 때에, 900℃ 이하로 보지(保持)하여 균열하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳의 연속 주조 방법.