KR20120013413A - 고순도화한 금속급 실리콘 공급원료에 대한 품질 제어 공정 - Google Patents

고순도화한 금속급 실리콘 공급원료에 대한 품질 제어 공정 Download PDF

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마르신 발레리시악
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오마르 사이델크헤르
알랭 블로쎄
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Abstract

UMG-Si 공급원료 배치 내의 붕소 및 인의 농도를 검출하기 위한 품질 제어 프로세스를 제공한다. UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 방향성 응고에 의해 실리콘 테스트 잉곳을 형성한다. 실리콘 테스트 잉곳의 저항률을 상단부터 하단까지 측정한다. 이어서, 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일을 매핑한다. 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일로부터, UMG-Si 실리콘 공급원료 배치의 붕소 및 인의 농도가 계산된다. 또한, 다수의 테스트 잉곳이 동시에 성장될 수 있으며, 각각의 테스트 잉곳은 다수의 도가니를 갖는 결정 성장기 내의 UMG-Si 공급원료 배치에 대응한다.

Description

고순도화한 금속급 실리콘 공급원료에 대한 품질 제어 공정{QUALITY CONTROL PROCESS FOR UMG-Si FEEDSTOCK}
본 발명은 일반적으로 실리콘 공정 분야에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 고순도화한 금속급 실리콘(UMG-Si: upgraded metallurgical-grade silicon)의 정제에 관한 것이다.
관련 출원
본 출원은 2010년 2월 10일 Kamel Ounadjela에 의한 "PROCESS CONTROL FOR UMG-Si MATERIAL PURIFICATION"이란 명칭으로 출원된 동일 계류 중인 미국출원 12/703,727호의 우선권을 주장하며 일부 계속 출원이다. 상기 출원의 전체 내용을 본 명세서에 참조에 의해 포함한다.
본 출원은 2009년 4월 29일에 출원된 미국 가출원 61/173,853호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용을 본 명세서에 참조에 의해 포함한다.
광전지(PV: photovoltaic) 산업은 급격히 성장하고 있으며, 이로 인해 집적 회로(IC) 응용으로서의 보다 통상적인 사용을 넘어 사용되고 있는 실리콘의 양이 증가하고 있다. 오늘날, 태양 전지 산업에서의 실리콘 요구는 IC 산업의 실리콘 요구와 경쟁을 시작하고 있다. 종래의 제조 기술에 의하면, 집적 회로(IC) 산업과 태양 전지 산업 모두 개시 물질로서 정련되고 정제된 실리콘 공급원료를 필요로 하고 있다.
태양 전지에 대한 재료 대안은 단결정의 전자 급(EG: electronic-grade) 실리콘으로부터 상대적으로 불순물이 섞여 있는 금속 급(MG: metallurgical-grade) 실리콘까지의 범위를 갖는다. EG 실리콘은 이론적 한계에 가까운 효율을 갖는 태양 전지를 얻을 수 있지만, 고가이다. 한편, MG 실리콘으로는 통상적으로 작동가능한 태양 전지를 만들 수 없다. 다결정질 실리콘을 사용하는 초기 태양 전지는 대략 6%의 매우 낮은 효율을 얻을 수 있다. 이와 관련해서, 전지의 효율은 수집되어 전류로 변환되는 전지에 입사하는 에너지의 비율을 측정한 것이다. 그러나 태양 전지 제조에 유용하게 사용할 수 있는 다른 반도체 재료가 있을 수 있다. 그러나 실제로 상업적으로 판매되는 태양 전지의 거의 90%가 결정질 실리콘(crystalline silicon)으로 만든 것이다.
오늘날 높은 순도의 재료와 개선된 처리 기술에 의해 24%의 효율을 갖는 상업적으로 구매가능한 전지가 만들어질 수 있다. 이들 공학적인 진보는 31%의 단일의 접합 실리콘 태양 전지 효율에 대한 이론적 한계에 도달하는 데에 도움을 주고 있다.
높은 순도의 실리콘 공급원료를 취득하여 사용하기 위한 높은 비용과 복잡한 처리 공정 및 IC 산업으로부터의 경쟁적인 수요 때문에, 태양 전지용으로 사용가능한 실리콘 요구는 EG, MG 또는 다른 주지의 처리 기술을 사용하는 다른 실리콘 제조업자를 만족시키지 못하고 있다. 이러한 만족스럽지 않은 상황이 지속하는 한, 대규모 전기 에너지 생성을 위한 경제적인 태양 전지를 얻을 수 없을 것이다.
몇 가지 요인이 태양 전지 제조에 유용하게 사용할 수 있는 순수 실리콘 재료의 품질을 결정한다. 실리콘 공급원료의 품질은 재료에 존재하는 불순물의 양에 따라 변화하는 경우가 많다. 실리콘 공급원료 품질을 향상시키기 위해 조절하고 제거하는 주요 원소는 붕소(B), 인(P) 및 알루미늄(Al)인데, 이들은 실리콘의 저항률에 크게 영향을 미치기 때문이다. UM(upgraded metallurgical) 실리콘에 기초한 공급원료 실리콘 재료는 비슷한 양의 붕소와 인을 함유하는 경우가 많다. 특정의 원소에 대한 농도를 판정하기 위해 화학적 분석이 사용될 수 있다. 이러한 방안은 너무 작은 표본 사이즈(몇 그램)를 필요로 하며, 변동이 심한 결과를 산출하는데, 예를 들어 붕소의 양이 0.5ppmw(part per million by weight) 내지 1ppmw까지 변화할 수 있다. 또한, 서로 다른 배치(batch)에 대한 화학적 분석은 일정한 붕소 및 인의 농도를 제공하지만, 전기적 파라미터가 극단적으로 변화한다. 이러한 신뢰할 수 없을 정도의 결과는, 상대적으로 적은 양의 불순물의 생성에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 생길 수 있다.
저항률은 태양 전지를 제조하는 데에 사용되는 실리콘(Si)의 가장 중요한 특성 중 하나이다. 왜냐하면, 태양 전지의 효율은 저항률에 따라 민감하게 달라지기 때문이다. 최신의 태양 전지 기술은 통상적으로 0.5Ωcm 내지 5.0Ωcm 사이의 범위를 갖는 저항률 값을 필요로 한다. 현재 생산되는, UM 실리콘에 기초한 공급원료 재료는 태양 전지 제조업자에 의해 일반적으로 특정된 0.5Ωcm의 최소 저항률 이하의 기본 저항률에 근접하고 있다. 이에 대한 간단한 이유가 있다. 즉, UM-Si를 업그레이드하기 위한 고비용의 공정은 기본적으로 불순물 원소 B와 P를 포함하여, 비금속을 추출해내는 것과 관련된다. 비용을 줄이기 위해, 이와 같은 처리 공정을 최소화하는 뚜렷한 경향이 있다. 즉, UM-Si는 통상적으로 높은 농도의 불순물 원자를 유지한다.
방향성 응고(directional solidification) 동안의 편석(segregation)에 의한 정제가 UMG-Si를 취득하기 위한 공정에 자주 사용된다. 불순물 제거 방법은 실리콘 잉곳(silicon ingot)의 최종 부분, 주로 잉곳의 상단을 결정화하는 데에 B, P, Al, C 및 전이 금속과 같은 불순물을 모으는 방향성 응고를 포함한다. 완벽한 경우로서, 방향성 응고 공정 중의 결정화는 상단에서부터 하단까지 일정할 것이며, 고체-액체 계면은 전체 잉곳을 통해 평탄하게 될 것이다. 이에 의하면, 잉곳 전체를 통해 상단에서 하단까지 일정한 불순물 농도 프로파일을 얻게 되어, 잉곳 내의 불순물이 잉곳의 상단 부분을 제거하는, 잉곳을 가로지르는 하나의 평면 절단(flat cut)에 따라 제거될 수 있다.
그러나 방향성 응고 공정 중에 열 영역을 제어하는 것은 어렵고, 실리콘 잉곳 내의 결정의 성장이 비균질하게 될 수 있다. 이에 의하면, 잉곳 전체를 통해(즉, 잉곳의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지) 상단에서 하단까지 불순물 농도 프로파일이 균일하지 않게 된다. 이 영향은 대량의 실리콘을 대량 생산하는 경우에 더 커진다. 잉곳의 서로 다른 영역은 상이한 불순물 프로파일, 즉 상이한 저항률 프로파일을 나타내기 때문에, 잉곳을 가로지르는 평면 절단은 사용가능한 실리콘 수율을 극대화하지는 않지만 집중된 불순물의 대부분을 제거한다.
또한, 도입되는 UMG-Si 공급원료 품질의 변동성은 UMG-Si 재료 품질을 검사하고 분석하기 위한 제어 공정을 필요로 한다. 통상적으로, 붕소(B) 및 인(P) 등의 원소는 Si 공급원료 품질을 열화시킬 수 있다. 이들은, 특정의 농도 제한 범위 이내로 조절되지 않는다면, 잉곳 저항률에 상당히 큰 편차를 만들게 될 것이다. 탄소, 산소, 질소, 이들 원소를 갖는 화합물, 특히 SiC 등의 다른 원소도 잉곳 품질을 열화시킬 수 있다.
이들 불순물 및 이와 유사한 불순물의 큰 영향에 의해, 적합한 품질을 보장하기 위해 공급원료 재료를 분석 및 테스트하여야 한다. 도입되는 공급원료의 불순물 및 저항률에서의 배치 단위의 변동은 잉곳의 하단부터 상단까지의 저항률 및 수율(n형 부분 대 p형 부분)에 영향을 미친다.
UMG-Si 공급원료의 공급자는 자신들의 고객에게 공급하는 재료의 품질 조절을 엄격하게 설정하지 못할 수 있다. 종종, 통상적인 화학적 분석은 신뢰할 수 없는 결과를 만들 수 있는데, 이는 상대적으로 적은 양의 불순물을 생성하는 데에 큰 영향을 미치기 때문이다. 또한, 공급자는 공급원료 배치 내의 붕소 및 인의 농도의 변동성과 관련해서 테스트하기에 너무 작은 표본 크기를 갖는다. 또한, 중복된 측정 오차에 의해 측정 결과가 불확실하게 된다. 이러한 측정 오차의 한가지 표지는 상이한 배치 수율에 대한 화학적 분석이 전기적 파라미터의 변동에 불구하고 동일한 붕소 및 인 함량을 제공할 때에 발생한다. 실리콘 잉곳을 캐스트하기 위해 다수의 UMG-Si 공급원료 배치에 좌우되는 회사의 경우, 이러한 배치간의 변동성은 허용되지 않을 수 있다.
신뢰할 수 있는 불순물 데이터/측정을 제공하는, 고순도화한 금속급 실리콘(UMG-Si) 공급원료 재료에 대한 품질 제어 공정에 대한 필요가 있다. 본 방법은 정확하여야 하고 샘플 테스트 잉곳으로부터 공급원료 배치에 대한 불순물 데이터를 제공하여야 한다. 또한, UMG-Si 공급원료 재료 배치 내의 불순물 농도 프로파일을 더 정확하게 식별하여, 공급업자가 원하는 불순물 농도 임계에 부합하는 UMG-Si를 더 신뢰성 있게 생성할 수 있으며, 태양 전지 제조업자가 실리콘 웨이퍼 수율을 향상시킬 수 있도록 할 필요가 있다.
양호한 잉곳 수율 및 태양 전지 품질과 관련하여 향상된 기계적 및 전기적 특성을 갖는 재료가 되는 UMG에 기반을 둔 다결정질 실리콘 재료에 대한 불순물 농도를 판정하는 단순한 공정이 필요하다. 이러한 공정은 CZ 기술 또는 FZ 기술을 적용하는 것과 같이 단결정 실리콘 재료를 결정화하기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 사용되는 더 높은 급의 비(non)-UMG 공급원료로 용이하게 전환될 수 있어야 한다.
개시한 본 발명에 의하면, 종래 개발된 UMG-Si 불순물 농도 판정 방법과 관련된 단점과 문제점을 실질적으로 제거 또는 감소시켜, 배치 UMG-Si 공급원료 내의 붕소 및 인의 농도를 판정하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 배치 UMG-Si 공급원료 내의 붕소와 인의 농도를 판정하기 위한 방법이 제공된다. UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 방향성 응고에 의해 실리콘 테스트 잉곳이 형성된다. 실리콘 테스트 잉곳의 저항률은 상단에서 하단까지 측정한다. 이어서, 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일을 매핑한다. UMG-Si 실리콘 공급원료 배치의 붕소 및 인의 농도를 계산한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 다수의 실리콘 테스트 잉곳이 UMG-Si 공급원료의 여러 배치로부터 동시에 성장한다.
본 발명의 기술적 장점은 더 높은 사용가능한 실리콘 수율, UMG-Si 공정 제어 향상, 및 UMG-Si 제조 효율 및 비용 향상을 취득할 수 있는, 실리콘 불순물 농도에 대한 더 정확한 데이터를 포함한다. 테스트 잉곳의 저항률 프로파일에 기초한 UMG-Si 공급원료 배치의 불순물 농도를 계산하는 추가의 기술적 장점은 더 일관성이 있고 정확한 불순물 농도 측정을 포함한다.
개시한 본 발명은 추가의 신규한 특징과 함께 본 명세서에 개시된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 내용의 요점은 청구된 발명의 이해를 위한 설명이 아니라 본 발명의 기능 중의 몇 가지를 간략하게 제공하기 위한 것이다. 제공되는 다른 시스템, 방법, 특징 및 장점은 이하의 도면과 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 본 설명에 포함되는 이러한 추가의 시스템, 방법, 특징 및 장점의 모든 것은 청구범위에 포함될 것이다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위해, 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 개시한다. 유사한 참조 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 종래 기술로서, 실리콘 내의 붕소, 인 및 알루미늄의 함량을 감소시키기 위한 공정 흐름을 나타낸다.
도 2는 UMG 공급원료의 다양한 배치의 실제 측정한 불순물을 나타내는 그래프이다.
도 3은 UMG-Si 잉곳 내의 불순물 붕소 및 인의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3에서 측정한 UMG-Si 잉곳의 저항률 프로파일(계산된 저항률 대 측정한 저항률)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 방향성 응고 이후의 UMG-Si 잉곳의 단면 이미지를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따라 생성된 크로핑 라인을 가진 방향성 응고 이후의 UMG-Si 잉곳의 단면 이미지이다.
도 7은 실리콘 잉곳의 3D 응고 계면을 그래프로 나타낸 것이다.
도 8은 UMG-Si 잉곳 내의 불순물 붕소, 인 및 알루미늄의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 알루미늄 농도의 단면 이미지이다.
도 10은 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 인 농도의 단면 이미지이다.
도 11은 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 붕소 농도의 단면 이미지이다.
도 12는 이중 방향성 응고 노 내의 실리콘 재료의 응고의 측면을 나타내는 공정 흐름이다.
도 13은 이중 방향성 응고 노 내의 실리콘 재료의 응고의 상면을 나타내는 공정 흐름이다.
도 14는 이중 방향성 응고 노 내에 생성된 실리콘 잉곳의 3D 응고 계면을 그래프로 나타낸 것이다.
도 15는 다수의 불순물 농도에 대한 저항률 프로파일 및 크로핑 라인을 나타내는 그래프이다.
도 16-18은 실리콘 잉곳의 불순물 농도 프로파일과 저항률 프로파일 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 도 16-18의 실리콘 잉곳의 저항률 프로파일(응고율에 대해 Ωcm로 나타냄)을 나타내는 그래프이다.
도 20은 도 19의 저항률 프로파일에 대한 대응하는 불순물 농도 프로파일을 제시한다.
도 21은 붕소, 인 및 알루미늄을 감소시키기 위한 종래의 공정 흐름을 나타내는 그래프이다.
도 22 및 도 23은 UMG-Si 공급원료의 다양한 배치의 실제 측정한 저항률을 나타내는 그래프이다.
도 24는 동시 방향성 응고 런의 예시적인 테스트 잉곳에 대한 B 및 P의 ICPMS 데이터를 나타낸다.
도 25는 도 24의 배치 1에 대해 측정한 저항률 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 26은 도 24의 배치 2에 대해 측정한 저항률 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 27은 도 24의 배치 3에 대해 측정한 저항률 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 28은 도 24의 배치 4에 대해 측정한 저항률 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 29는 캐스팅된 잉곳의 사진이다.
도 30은 본 발명에 따른 결정 성장 도가니 구성의 실시예를 나타낸다.
도 31은 단일 도가니 런 열 구성의 변형 예로서 4개 도가니 열 구성을 나타내는 사진이다.
도 32는 실제 UMG-Si 잉곳에서 발견되는 불순물을 나타내는 사진이다.
도 33은 개시된 UMG-Si 제어 공정의 일실시예의 주요 단계를 나타내는 공정 흐름이다.
이하의 설명은 제한을 위한 것이 아니라 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 것으로 이해하여야 한다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 정해져야 한다. 알루미늄이 많이 함유된 UMG 실리콘의 정제에 대하여 설명하고 있지만, 당업자라면 어떠한 고순도화한 금속급(UMG: upgraded metallurgical-grade) 재료에도 본 명세서에 개시된 원리를 적용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 예시하고 있으며, 유사한 참조 부호는 여러 도면에서 유사 및 대응하는 부분을 의미한다.
도 1은 실리콘 내의 붕소, 인 및 알루미늄의 함량을 감소시키기 위한 종래의 공정 흐름을 나타낸다. 단계 2에서, 석영 및 석탄과 같은 순수 원재료가 선택되어 붕소 함량이 작은 MG-Si(metallurgical-grade silicon)를 생성한다. 이어서, 단계 4는 MG-Si 정련을 통해 알루미늄 함량을 더 감소시킨다. 또한, 붕소 함량은, 예를 들어 산소 연료 버터를 가진 노(furnace), 결국에는 UMG-Si에서 더 감소시킬 수 있다. 붕소, 인 및 알루미늄과 같은 불순물을 더 감소시키기 위하여, 붕소 농도가 특정의 임계 농도보다 작게 감소된 경우에, 실리콘 공급원료를 출시할 준비가 될 때까지 방향성 응고(directional solidification) 시스템을 통해 UMG-Si가 처리된다. 제1 DSS 패스(6)와 제2 DSS 패스(8) 모두에서, 잉곳(ingot) 중에서 불순물 농도가 가장 높은 부분(일반적으로 상단 부분)을 잘라내어 더 순수한 실리콘을 제공하도록 한다. 제1 DSS 패스(8)는 요구되는 0.5ppmw(part per million by weight)보다 큰 불순물을 갖는 실리콘을 얻을 수 있으며, 제2 DSS 패스(10)는 요구되는 0.5ppmw보다 작은 불순물을 갖는 실리콘을 얻을 수 있다.
낭비를 최소로 하면서 더 순수한 실리콘을 제공하기 위해 더 효과적인 불순물 제어 방법이 필요하다. 불순물을 제거하기 위해 제1 DSS 패스(8) 이후에 그리고 크로핑(cropping) 이전에 실리콘 잉곳에 대한 저항률(resistivity) 측정은 실질적으로 실리콘 수율을 향상시킬 것이다. 마찬가지로, 불순물을 제거하기 위해 제2 DSS 패스(10) 이후에 그리고 제2 크로핑 이전에 실리콘 잉곳에 대한 저항률 측정은 최종적인 실리콘 제품의 실리콘 수율을 실질적으로 향상시킬 것이다.
도 2는 UMG 공급원료의 다양한 배치(batch)에서의 선택된 원소의 실제 측정한 농도를 ppmw로 나타낸 그래프이다. 공급원료의 서로 다른 배치 전체에서 원소의 농도에 큰 변동성이 있다. 이러한 변동성은 주로 UMG-Si 공급원료의 석영과 석탄 등의 소스 재료에 의해 생기는 것이다. 불순물 농도의 작은 변동성은 잉곳 수율(n-부분 대 p-부분)뿐만 아니라 잉곳의 하단 저항률부터 상단 저항률까지를 각 배치 별로 변동성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 알루미늄(40), 붕소(42) 및 인(44)은 이들이 재료의 저항률에 큰 영향을 미치기 때문에 제어하여야 할 주요 원소이다.
도 3은 UMG-Si 잉곳 내의 불순물 붕소(50)와 인(52)(응고율에 대한 입방 센티미터당 원자)의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다. 도 3에서, 붕소(50)의 초기 농도는 0.48ppmw이고, 인(52)의 초기 농도는 1.5ppmw이다. 응고율(solidified fraction)(또는 잉곳 높이)에 따른 붕소와 인의 농도의 변동성은 원소 특정의 편석(element-specific segregation) 작용에 의해 생긴 방향성 응고 동안의 불균일한 편석(uneven segregation)을 나타낸다. 잉곳에서의 붕소 및 인의 불균일한 편석에 의해, 전도성 타입이 대략 80%의 잉곳 높이에서 p형(붕소, 알루미늄)에서 n형(인)으로 변화한다. 이러한 전도성 타입의 변화를 B/P 비율(54)(도 3에서는 편차 B-P의 절대값으로 나타냄)로 나타낸다. B/P 비율(54) 등의 B/P 비율은 p형 재료의 수율을 제한한다. 상대적으로 높은 알루미늄 농도를 가진 UMG 공급원료 재료의 경우에, 알루미늄은 각각의 저항률 프로파일을 시프트함으로써 수율에 영향을 미칠 수 있다.
도 4는 도 3에 제시한 UMG-Si 잉곳의 저항률 프로파일[계산된 저항률(62)과 측정한 저항률(60)]을 나타내는 그래프이다. 저항률은 Ωcm 단위로 측정하며, 잉곳 높이는 하단에서 상단까지 퍼센트(응고율 g로 변환)로 나타낸다. 저항률은 붕소 및 인의 농도에서의 절대 편차[도 3에서는 abs(B-P)(54)로 나타냄]에 해당하는 재료의 순수 도핑(net-doping)으로부터 판정된다. 저항률 프로파일은 도 3에 나타낸 바와 같이 대략 80% 잉곳 높이에서 붕소와 인의 편석 특성에 의해 생기는 전도성 타입에서의 변화를 나타낸다.
도 5는 방향성 응고 이후의 UMG-Si 잉곳의 단면 이미지를 나타낸다. 불순물 라인(70)은 알루미늄이 많이 포함된 UMG-Si 공급원료에 기초한 통상적인 잉곳에서의 전도성 타입에서의 측정한 변화를 나타낸다. 이러한 잉곳의 단면 이미지에서, 잉곳 수율 라인의 강한 변동이 관찰[예를 들어, 불순물 라인(70)에 의해 나타낸 것]될 수 있으며, 이는 좌측 잉곳(72)에서는 90%에 가까운 잉곳 수율을, 우측 잉곳(74)에서는 60%에 가까운 잉곳 수율을 의미한다. 잉곳 전체에서의 많은 수율 변동은 응고 동안의 잉곳 전체의 비균질의 열적 조건과 이에 따른 불순물 원소 B, P 및 Al에 대한 비균질의 편석 조건을 나타낸다.
방향성 응고는 통상적으로 잉곳의 상단에 불순물을 모으고, 대부분의 불순물을 갖는 상단 층을, 추가의 처리를 위한 더 순수한 하단 층을 남긴 채로 제거한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 층(78)은 층(77)보다 불순물이 더 적다. 그러나 UMG-Si 잉곳은 방향성 응고 이후에는 평탄하고 평평한 불순물 프로파일을 거의 갖지 않는다. 평탄한 크로핑 라인(flat cropping line)(76)은 잉곳의 상단에 집중된 불순물을 제거하기 위해 통상적으로 사용될 평면 절단 라인(flat cutoff line)을 나타낸다. 그러나 평면 절단(flat cut)은 재료에서의 불순물의 고르지 않고 불균일한 분산[불순물 라인(70)으로 나타낸 것]의 장점을 갖기 않기 때문에, 비효율적이며 낭비적인 UMG-Si 공정이 된다.
도 6은 본 발명에 따라 생성된 크로핑 라인(cropping line)을 가진 방향성 응고 이후의 UMG-Si 잉곳의 단면 이미지를 나타낸다. 붕소, 인 및 알루미늄 등의 불순물은 실리콘에 활성 상태로 도핑되고, 잉곳 브릭의 저항률에 영향을 미친다. 저항률 측정은 불순물의 절대 농도와 잉곳의 금속성 불순물을 전체적으로 감소시키기 위해 잉곳의 오염된 부분을 제거하는 위치를 정확하게 판정하게 해준다.
가장 낮은 농도의 불순물이 저온 존(cool zone)(80)(처음 응고되는 영역)에서 발견된다. 가장 높은 농도의 불순물이 고온 존(hot zone)(82)(마지막으로 응고되는 영역)에서 발견된다. 불순물의 편석은 방향성 응고 동안 용융 상태로부터 응고되어야 하는 잉곳의 마지막 부분에 집중된다. 이에 의하면, 불순물 프로파일이 잉곳 내의 영역마다 다르게 된다. 잉곳 브릭(86)과 잉곳 브릭(94)에서의 불순물 레벨은 상이하다. 잉곳은 브릭(brick)으로 절단되어 각각의 브릭을 위한 크롭 라인(crop line)을 커스터마이즈(customize)함으로써 불순물 제거를 제어할 수 있다. 잉곳 브릭(86, 88, 90, 92, 94)은 방향성 응고 이후에 절단된다. 절단 라인(cut line)(84)은 이미지에서의 브릭 분할을 나타낸다.
브릭이 절단된 이후, 하단에서부터 상단까지 잉곳의 저항률을 측정하고 이들 계산을 그래프 또는 3D 저항률 맵에 매핑함으로써 잉곳의 저항률 프로파일이 생성된다. 잉곳에 대한 저항률 측정은 잉곳을 브릭으로 절단하기 전에 이루어져도 된다. 또한, 브릭 사이즈는 실리콘 잉곳의 사이즈, 실리콘 잉곳의 불순물 농도, 정확한 저항률 프로파일을 얻기 위해 필요한 사이즈, 및 제조 효율 요건을 포함하는 많은 요인에 따라 커스터마이즈될 수 있다.
도 6에서, 불순물 라인은 임계 요건 레벨에서의 잉곳의 불순물 농도를 나타낸다. 표준 절단(standard cut)은 불순물 제거를 실리콘 재료 수율과 균형 맞추기 위해 시도하는 평면 크롭 라인을 나타낸다. 제어 절단(controlled cut)은 브릭의 저항률 프로파일에 기초한 각 브릭에 대한 커스터마이즈된 크롭 라인을 나타낸다. 제어 절단 라인은 브릭의 저항률 프로파일에 기초한 각각의 개별 브릭에 대한 계산된 크로핑 라인을 정의함으로써, 실리콘 재료 수율을 보존하면서 집중된 불순물을 함유하는 부분만이 제거된다. 이에 의하면, 유용한 실리콘을 희생시키지 않으면서 불순물을 최적으로 제거할 수 있다. 이 절단은 각 브릭의 상단에서부터 하단까지 저항률을 측정함으로써 계산된다.
본 발명의 공정에 따른 제어 절단을 수행하지 않고, 통상적인 표준 절단은 브릭(94)의 잉곳 영역에서와 같이, 잉곳에 많은 불순물을 남길 수 있으며, 이러한 잉곳으로부터 기인하는 재료를 추가로 정제하기 위해 다른 방향성 응고를 수행할 필요가 있게 된다.
도 7은 실리콘 잉곳의 3D 응고 계면을 그래프로 나타내고 있다. 응고를 제어하는 것은 어렵기 때문에, 잉곳 결정화 동안 고체-액체 계면은 평평하지 않고, 따라서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 비균질한 편석 층(inhomogeneous segregation layer)이 된다. 방향성 응고 이후에, 불순물은 잉곳의 상단에 집중된다. 그러나 응고 층(90, 92, 94)은 실질적으로 평탄하지 않다. 즉, 응고 층은 평평하지 않고 대신에 잉곳에서 수직 방향으로 위아래로 변동하고, 잉곳 전체를 통해 두께가 변화한다. 이에 의해, 잉곳에서의 영역별 불순물 프로파일이 상이하게 되어, 불평탄한 실리콘 잉곳 불순물 프로파일이 된다. 불평탄한 응고 층에서는 높은 수율의 실리콘을 희생하지 않거나 잉곳 내에 너무 많은 불순물을 남기지 않도록 하면서 집중된 불순물을 용이하고 효과적으로 제거하는 것이 어렵다.
도 8은 UMG 재료 잉곳에서의 불순물인 붕소(100), 인(102) 및 알루미늄(106)의 농도 프로파일(응고율 g로 변환하는 잉곳 높이 퍼센트에 대한 입방 센티미터당 원자수)을 나타내는 그래프이다. 도 8에서, 붕소의 초기 농도는 0.411ppmw이고, 인의 초기 농도는 1.3ppmw이며, 알루미늄의 초기 농도는 23.08ppmw이다. 방향성 응고 동안 붕소, 인 및 알루미늄의 편석 계수가 상이하기 때문에, 대략 87%의 잉곳 높이에서 전도성 타입의 변화가 있다. 이러한 변화를 붕소 및 인의 절대 농도에 알루미늄의 농도를 가산한 값, 즉 도 8에 104로 나타낸 abs(B-P+Al)로 나타내며, p형 재료 수율의 한계를 정의한다.
도 9는 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 알루미늄 농도 프로파일의 단면 이미지이다. 방향성 응고 공정 동안의 열 필드(thermal field)를 제어하는 것이 어렵기 때문에, 결정화 층은 불평탄하게 되고 불평탄한 불순물 농도 프로파일이 만들어진다. 알루미늄의 농도는 잉곳의 상단에서 증가하고, 불순물 라인(110)에 의해 나타낸 바와 같이 잉곳의 단면 전체를 통해 변동한다. 이에 의하면, 잉곳 전체에서 알루미늄 및 다른 불순물을 효과적으로 제거하는 것이 어려워진다.
도 10은 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 인 농도 프로파일의 단면 이미지이다. 인의 농도는 잉곳의 상단에서 증가하며, 불순물 라인(112)에 의해 나타낸 것과 같이 잉곳의 단면 전체를 통해 변동한다. 인의 농도는 잉곳의 특정 부분에서 상당히 높기 때문에, 잉곳 전체를 통해 하나의 평면 크롭 라인으로 인 불순물을 최적으로 제거하는 것이 어렵다.
도 11은 도 8에 나타낸 UMG-Si 잉곳의 붕소 농도 프로파일의 단면 이미지이다. 붕소의 농도는 잉곳의 상단에서 증가하고, 불순물 라인(114)으로 나타낸 바와 같이 잉곳의 단면 전체를 통해 변동한다. 붕소의 농도는 잉곳의 특정 부분에서 상당히 높기 때문에, 잉곳 전체를 따라 하나의 평면 크롭으로 인 불순물을 최적으로 제거하는 것이 어려워진다.
도 12는 이중 방향성 응고 노(dual directional solidification furnace) 내의 실리콘 재료의 응고의 측면을 나타내는 공정 흐름이다. 이중 방향성 응고 노는 상단 및 측면 히터를 구비하는 응고 노이다. 히터는 잉곳의 상단을 가열하는 히터와 잉곳의 측면을 가열하는 다수의 히터로 배치되며, 실리콘 잉곳의 상단과 하나의 측면에 불순물이 집중된다. 도 12의 이중 방향성 응고 시스템은 상단 히터(122)와 측면 히터(120, 124)를 사용하여, 상단 히터(122) 부근의 잉곳의 상단과 측면 히터(120)가 위치하는 잉곳 측면에 불순물을 집중시킨다. 액체 실리콘은 집중된 불순물을 함유하며, 오염된 영역(contaminated area)이라고 알려져 있다. 노 온도 1500℃에서, 실리콘은 완전히 액체 상태이다. 단계 126에서, 노 온도는 1450℃로 감소하고, 용융 실리콘은 부분적으로 응고한다. 실리콘의 응고된 층은 실리콘 용융물 아래의 잉곳의 하단에 형성한다. 상단 히터(122)에 근접해 있는 실리콘은 용융 상태를 유지하고, 상단 히터(122)로부터 멀리 있는 실리콘은 결정화되며, 불순물은 용융 실리콘 내에 집중된다. 단계 126 동안, 측면 히터(120)와 측면 히터(124)는 균일한 온도로 설정되고, 응고된 실리콘의 수직 방향의 구배(vertical gradient)가 형성되고, 실리콘의 수평 방향의 응고 구배가 균일하게 유지된다.
단계 128에서, 노 온도 1420℃에서, 실리콘은 대부분 결정화되고 상단 히터(122)와 측면 히터(120)에 근접한 영역만이 용융되는데, 남은 실리콘은 결정화된 것이다. 측면 히터(124) 및 상단 히터(122)에 근접해 있는 실리콘이 결정화되도록 측면 히터(124)와 상단 히터(122)가 냉각되고 용융 실리콘은 근접한 측면 히터(120)로 이동한다. 불순물은 가열된 측면 히터(120)에 근접한 잉곳의 상단 코너에 남아 있는 액체 실리콘에 집중된다. 따라서, 불순물은 상단 히터(122) 및 측면 히터(120)에 가장 가까운 용융 영역에 집중된다. 이 영역은 완전히 결정화된 실리콘 잉곳을 정제하기 위해 제거될 영역이다. 이중 방향성 응고 노는 상단에 5개의 홀, 중앙에 하나의 홀, 및 코너에 4개의 홀을 구비하는데, 응고된 실리콘 부분의 높이를 조절 및 측정(종종 단순한 석영 막대를 사용함)하기 위한 것이다. 단계 130에서, 노 온도 1400℃에서, 측면 히터(120)는 냉각되고 실리콘 잉곳은 전체적으로 응고된다. 불순물은 상단 히터(122)와 측면 히터(120)에 가장 근접한 결정화된 영역에 집중된다. 잉곳은 이제 브릭으로 분할되고 불순물을 제거할 준비가 된 것이다. 이중 방향성 응고 노는 실리콘이 완전히 결정화된 이후에 불순물을 집중하여 효율적으로 제거하기 위해 히터 부근의 고온 존을 사용한다.
공정 중에, 잉곳 내의 용융 실리콘이 응고되기 시작하면서 수직 방향의 실리콘 응고 구배가 생성된다. 잉곳의 하단에서의 실리콘이 냉각됨에 따라, 실리콘이 응고되고, 불순물(붕소, 인 및 알루미늄)이 남아 있는 용융 실리콘으로 이동한다. 고체/액체 계면이 전환 전도성 타입(overchange conductivity type)의 영역에 도달하기 전에(일반적으로는 80%의 잉곳 응고의 범위에서), 측면 히터는 남아 있는 용융 실리콘을 잉곳의 한쪽, 즉 더 뜨거운 쪽의 히터에 가까운 쪽으로 향하도록 하는 수평 방향의 실리콘 응고 구배를 생성하도록 온도를 조절한다.
도 13은 이중 방향성 응고 노 내의 실리콘 재료의 응고의 상면(상단 히터를 나타내지 않음)을 나타내는 공정 흐름이다. 측면 히터(132)와 측면 히터(134)는 함께 조절되어 수평 방향의 실리콘 응고 구배를 형성하고 측면 히터(132)의 가장 근접한 곳에 불순물을 집중시킨다. 처음에, 노 온도 1500℃에서, 도가니(crucible) 내의 모든 실리콘이 용융된다. 단계 136에서, 노 온도는 1450℃로 조절되고, 도가니의 하단에 있는 용융 실리콘은 응고하기 시작하고(도 12의 이중 방향성 응고 노 내의 실리콘 응고의 측면 참조), 용융 실리콘이 상단 히터에 근접한 곳으로 이동한다.
단계 138에서, 노 온도 1420℃에서, 측면 히터(132)를 가열하고 측면 히터(134)를 냉각시켜 수평 방향의 실리콘 응고 구배를 형성한다. 측면 히터(134)에 근접한 실리콘이 냉각 및 응고함에 따라, 용융 실리콘이 측면 히터(132) 가까이 이동한다. 불순물은 측면 히터(132)에 근접한 용융 실리콘 내에 모인다. 단계 140에서, 노 온도가 1400℃로 감소함에 따라, 남아 있는 용융 실리콘은, 집중된 불순물 레벨로 응고하고, 불순물은 측면 히터(132)에 근접한 잉곳 영역 내에 포획된다.
도 14는 이중 방향성 응고 노 내에 형성된 실리콘 잉곳의 3D 응고 계면을 그래픽으로 나타낸 것이다. 잉곳 결정화 동안 고체-액체 계면이 실질적으로 평탄하게 유지됨으로써, 실질적으로 고르고 평탄한 응고 층이 된다. 따라서, 상단부터 하단까지의 불순물 프로파일은 실질적으로 실리콘 잉곳의 어느 영역에서든 동일하다. 응고 층(150, 152, 154)은, 도 7의 층(90, 92, 94)과 달리, 잉곳 전체를 통해 평탄하다. 또한, 상면으로 나타낸 바와 같이, 오염된 응고 층은, 도 13에 나타낸 바와 같이, 이중 방향성 응고 노를 사용함으로써 측면(156) 상에 추가로 집중되었다. 즉, 본 발명의 공정에 따라 용이하게 크롭될 수 있는 영역에 불순물이 집중될 수 있도록 한다. 이중 방향성 응고 노는 직사각형이지만 정방형은 아닌 단면을 갖는 도가니를 사용하여 동작하는 것이 바람직하며, 도가니의 더 작은 쪽이 측면 히터를 향해 있다.
도 15는 불순물의 여러 개의 농도에 대한 크로핑 라인과 저항률 프로파일을 나타내는 그래프(응고율 g에 대한 Ωcm로 나타냄)이다. 저항률 프로파일은 불순물 농도에 크게 좌우된다. 이에 의하면, 저항률 프로파일에서의 각각의 지점에서 불순물 농도에 대한 판정이 가능하다. 크롭 라인(166, 168, 170)은 잉곳의 저항률 프로파일에 좌우된다. 크롭 라인은 최종적인 제품에 대해 허용되는 임계 실리콘 불순물 농도에 기초하여 판정될 수 있다.
잉곳 저항률 프로파일(160)은 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.59ppmw의 인 농도 및 0.087ppmw의 알루미늄 농도를 갖는다. 크롭 라인(166)은 저항률 프로파일(160)에 대응하며, 저항률 프로파일(160)에 대한 정확한 불순물 농도 임계량을 제공하는 제어 절단 라인이다.
잉곳 저항률 프로파일(162)은 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.45ppmw의 인 농도 및 0.079ppmw의 알루미늄 농도를 갖는다. 크롭 라인(168)은 저항률 프로파일(162)에 대응하며, 저항률 프로파일(162)에 대한 정확한 불순물 농도 임계량을 제공하는 제어 절단 라인이다.
잉곳 저항률 프로파일(164)은 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.59ppmw의 인 농도 및 0.119ppmw의 알루미늄 농도를 갖는다. 크롭 라인(170)은 저항률 프로파일(164)에 대응하며, 저항률 프로파일(164)에 대한 정확한 불순물 농도 임계량을 제공하는 제어 절단 라인이다.
도 16-18은 잉곳의 저항률 프로파일과 동일 잉곳의 불순물 농도 프로파일 간의 관계를 나타내는 그래프이다. 제어된 크롭 라인은 특정 불순물의 원하는 임계 농도에 따라 계산될 수 있다. 도 16-18은 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 기초한 크롭 라인을 나타내지만, 크롭 라인은 임의의 농도에서 다수의 다양한 불순물(예를 들어, 붕소 또는 인)에 기초할 수 있다.
도 16은 동일 실리콘 잉곳의 저항률 프로파일 및 불순물 농도 프로파일로부터의 크로핑 라인의 계산을 나타낸다. 상단 그래프는 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.45ppmw의 인 농도 및 0.079ppmw의 알루미늄 농도를 갖는 실리콘 잉곳에 대한 저항률 프로파일(182)(응고율 퍼센트에 대한 Ωcm로 나타냄)을 나타낸다. 하단 그래프는 동일 잉곳에 대한 붕소(186), 인(184) 및 알루미늄(188)의 농도 프로파일(응고율 퍼센트에 대한 임방 센티미터당 원자수로 나타냄)을 나타낸다. 크롭 라인(180)은 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 대한 84.5%의 잉곳 높이에서 계산되었다. 크롭 라인(180) 아래의 잉곳이 0.5ppmw 이하의 알루미늄 농도를 가지며, 크롭 라인(180) 위의 잉곳이 0.5ppmw 이상의 알루미늄 농도를 갖는 것을 의미한다.
도 17은 동일 실리콘 잉곳에 대한 불순물 농도 프로파일과 저항률 프로파일로부터의 크로핑 라인의 계산을 나타낸다. 상단 그래프는 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.45ppmw의 인 농도 및 0.117ppmw의 알루미늄 농도를 갖는 실리콘 잉곳에 대한 저항률 프로파일(202)(응고율 퍼센트에 대한 Ωcm로 나타냄)을 나타낸다. 하단 그래프는 동일 잉곳에 대한 붕소(208), 인(204) 및 알루미늄(206)의 농도 프로파일(응고율 퍼센트에 대한 임방 센티미터당 원자수로 나타냄)을 나타낸다. 크롭 라인(200)은 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 대한 77%의 잉곳 높이에서 계산되었다. 크롭 라인(200) 아래의 잉곳이 0.5ppmw 이하의 알루미늄 농도를 가지며, 크롭 라인(200) 위의 잉곳이 0.5ppmw 이상의 알루미늄 농도를 갖는 것을 의미한다.
도 18은 동일 실리콘 잉곳에 대한 불순물 농도 프로파일과 저항률 프로파일로부터의 크로핑 라인의 계산을 나타낸다. 상단 그래프는 0.45ppmw의 붕소 농도, 1.8ppmw의 인 농도 및 0.079ppmw의 알루미늄 농도를 갖는 실리콘 잉곳에 대한 저항률 프로파일(224)(응고율 퍼센트에 대한 Ωcm로 나타냄)을 나타낸다. 하단 그래프는 동일 잉곳에 대한 붕소(228), 인(226) 및 알루미늄(230)의 농도 프로파일(응고율 퍼센트에 대한 임방 센티미터당 원자수로 나타냄)을 나타낸다. 크롭 라인(222)은 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 대한 84.5%의 잉곳 높이에서 계산되었다. 크롭 라인(222) 아래의 잉곳이 0.5ppmw 이하의 알루미늄 농도를 가지며, 크롭 라인(222) 위의 잉곳이 0.5ppmw 이상의 알루미늄 농도를 갖는 것을 의미한다. 크롭 라인(220)은 잉곳이 p형에서 n형으로 이동하는 P/N 변환에서의 저항률 프로파일로부터 83%의 잉곳 높이에서 계산되었다. 이러한 크롭 라인은 잉곳으로부터 p형 실리콘 재료의 가장 높은 수율을 유지하도록 최적의 절단 라인을 나타낸다.
도 19는 도 16-18의 실리콘 잉곳의 저항률 프로파일(응고율 퍼센트에 대한 Ωcm로 나타냄)을 나타내는 그래프이다. 저항률 프로파일(182)은 도 16의 잉곳의 저항률을 나타내며, 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 대한 84.5%의 잉곳 높이에서 계산된 크롭 라인(180)을 나타낸다. 저항률 프로파일(102)은 도 17의 잉곳의 저항률을 나타내며, 0.5ppmw의 알루미늄 농도에 대한 77%의 잉곳 높이에서의 계산된 크롭 라인(200)을 나타낸다. 저항률 프로파일(224)은 도 18의 잉곳의 저항률을 나타내며, P/N 변환에서 83.5%의 잉곳 높이에서의 계산된 크롭 라인(220)을 나타낸다.
도 20은 도 19의 저항률 프로파일(182, 202, 224)에 대한 붕소, 인 및 알루미늄의 대응하는 농도 프로파일을 제시한다.
도 21은 UMG-Si 공급원료 품질을 평가(evaluate)하기 위한 제어 공정 및 방법에 관한 것이다. 다수의 UMG-Si 공급원료 배치로부터 만들어진 결정화된 잉곳 테스트 샘플의 저항률 프로파일을 분석함으로써, 이들 배치 내에서의 붕소 및 인의 함량을 판정(이에 따라, UMG-Si 공급원료의 품질의 판정을 행할 수 있다)할 수 있다. 또한, SiC 등의 다른 불순물의 포함 여부에 대해서도 검출할 수 있다.
도 21은 유도 결합 플라즈마 질량 분석계(ICPMS: inductively coupled plasma mass spectrometry) 공정에 따라 실리콘 내의 붕소, 인 및 알루미늄의 함량을 감소시키는 종래의 공정 흐름을 그래프로 나타낸 것이다. 단계 210에서, 석영과 석탄 등의 순수한 원료를 선택하여 낮은 붕소 함량을 가진 MG-Si를 생성한다. 이어서, 단계 212에서, MG-Si 정련을 통해 알루미늄 함량을 추가로 감소시킨다. 추가로, 붕소 함량은, 예를 들어 산소 연료 버너를 가진 노(furnace)에서, 결국 UMG-Si에서 더 감소시킬 수 있다. 이어서, 붕소, 인 및 알루미늄 등의 불순물을 더 감소시키기 위하여, ICPMS를 사용하는 UMG-Si의 화학적 분석(단계 214에 나타낸 것처럼)이 수행된다. 이러한 분석이 특정의 임계 농도(1ppmw로서 도시됨)보다 작은 붕소 농도를 제공한다면, 공급원료는 결정화를 위한 준비인 것으로 간주되고, 최종적인 UMG-Si 제품(216)으로 나타낸, 잉곳을 캐스팅하기 위해 선적될 것이다. 그러나 붕소 농도가 특정의 임계 농도(1ppmw로서 나타냄)보다 큰 것으로 측정되면, 정련 공정(refinement process)은 재료가 최소 붕소 임계 농도 레벨을 만족시키는 적절한 UMG-Si 제품이 될 때까지 반복될 수 있다. 중요한 것으로서, 붕소에 대한 다른 임계 농도 레벨이 인과 같은 다른 불순물에 대해서도 사용될 수 있다.
낭비를 최소로 하면서, 더 순수한 실리콘을 제공하기 위해 더 효과적인 불순물 제어 방법이 필요하다. 본 발명은 상기 설명한 화학적 분석(ICPMS)에 대한 대안을 제공하고, 대신에 UMG-Si 공급원료 품질을 제어하기 위한 다른 공정 및 방법을 도입한다. 개시한 제어 방법은 공급원료를 출시하기 전에 UMG-Si의 테스트 잉곳의 저항률 프로파일을 분석한다. 이 제어 방법은 제어할 공급원료 배치로부터 만들어진 합리적으로 대형의 테스트 잉곳의 전기적 데이터를 사용한다. 구체적으로, 테스트 잉곳의 하단부터 상단까지의 저항률 프로파일의 측정은 UMG-Si 공급원료 배치를 제품으로 출시하는 기준이다.
본 공정의 일부로서, 도 12 및 도 13에 나타낸 이중 방향성 응고 노와 같은 상단 및 하단 히터 또는 상단 히터만을 포함할 수 있는 고온 존(hot zone)으로 특정적으로 설계된 결정 성장기(crystal grower)를 사용하여, 다수의 테스트 잉곳을 동시에 시험하기 위한 방법이 제공된다. 따라서, N×N개의 도가니를 갖는 결정 성장기가 N×N개의 테스트 잉곳을 성장 및 시험할 수 있다. 이러한 과정은 공급원료의 품질을 제어하는 방법을 더 향상시킨다.
도 22 및 도 23은 UMG-Si 공급원료의 다양한 배치의 실제 측정한 저항률을 나타내는 그래프이다. 도 22의 배치로부터 도 23의 배치까지 UMG-Si 공급원료의 저항률, 즉 수율의 변동성이 크다. 도 22 및 23의 그래프는 동일한 공급원료 중에서 2개의 배치로부터 성장된 2개의 잉곳의 저항률 프로파일(하단부터 상단까지 잉곳 높이에 대한 Ωcm로 나타냄)을 나타낸다. 이 저항률 프로파일은 잉곳 내의 붕소 및 인의 편석 특징에 의해 생긴 전도성 타입의 변화를 나타낸다. 도 22의 150mm 높이의 잉곳은 대략 75mm에서 p형에서 n형으로 잉곳이 이동하는 지점인 P/N 전환점을 가지며, 대략 45%의 p형 UMG-Si(참조부호 218로 나타냄)가 사용을 위해 남게 된다. 표(219)는 도 22의 저항률 프로파일에 나타낸 배치에 대한 저항률 데이터를 제공하는데, Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하고 있다. 도 23에서 150mm 높이의 잉곳은 대략 110mm에서 P/N 전환점을 가지며, 대략 74%의 p형 UMG-Si(참조부호 220으로 나타냄)가 사용을 위해 남게 된다. 표(221)는 Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하는, 도 23의 저항률 프로파일에 나타낸 배치에 대한 저항률 데이터를 제공한다.
이러한 큰 변동성은 주로 석영과 석탄 등의 도입되는 재료로부터 생기는 것이다. 본 발명은 이러한 변동성은, 웨이퍼 공정 이후에 태양 전지를 제조하는 데에 사용되는, 산업 규격에 맞는 잉곳을 캐스팅하기 위한 이러한 공급원료를 사용하기 전에, 제어하기 위한 방법 및 공정을 제공한다.
도 24는 4개의 도가니 런 내의 4개의 서로 다른 배치, 배치 1, 배치 2, 배치 3 및 배치 4에서 행해지는 동시 방향성 응고 런의 테스트 잉곳에 대한 붕소(B)와 인(P)의 ICPMS 데이터를 표시한다. 표(224)는 배치 1과 배치 2에 대한 측정된 붕소 농도 및 인 농도를 나타낸다. 표(226)는 배치 3과 배치 4에 대한 측정된 붕소 농도 및 인 농도를 나타낸다. 대응하는 저항률 프로파일을, 배치 1에 대해서는 도 25에 나타내고, 배치 2에 대해서는 도 26에 나타내며, 배치 3에 대해서는 도 27에 나타내고, 배치 4에 대해서는 도 28에 나타낸다. 저항률 데이터는 ICPMS에 기초한 예상치와는 부합하지 않는다. 예를 들어, 붕소 및 인의 측정된 값에 기초하여 배치 1(예를 들어, 도 25에 나타낸 것)과 배치 3(예를 들어, 도 27에 나타낸 것)에 대해 유사한 저항률 프로파일을 예상할 수 있을 것이다. 각각의 배치에 대해 측정한 저항률 프로파일에 의해, 화학적 분석이 아닌 공급원료 품질의 현실적인 평가가 가능하다.
동시에, 잠재적인 코도펀트(co-dopant)의 양을, 개별의 공급원료 배치를 변경하기 위한 저항률 프로파일에 기초하여 판정하여, 높은 p형 수율과 코도핑(co-doping) 이후의 유용한 저항률 범위를 보장할 수 있다.
도 25는 도 24의 배치 1에 대한 측정한 저항률 데이터[저항률 프로파일(230)]를, 하단부터 상단까지의 잉곳 높이에 대한 Ωcm의 저항으로 나타낸 그래프이다. 대략 120mm에서 배치 1의 P/N 전환이 이루어지며, UMG-Si의 수율은 대략 73%(참조부호 234로 나타냄)가 된다. 표(232)는 Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하는, 배치 1에 대한 저항률 데이터를 제공한다.
도 26은 도 24의 배치 2에 대한 측정한 저항률 데이터[저항률 프로파일(236)]를, 하단부터 상단까지의 잉곳 높이에 대한 Ωcm의 저항으로 나타낸 그래프이다. 대략 45mm에서 배치 2의 P/N 전환이 이루어지며, UMG-Si의 수율은 대략 26%(참조부호 240으로 나타냄)가 된다. 표(238)는 Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하는, 배치 2에 대한 저항률 데이터를 제공한다.
도 27은 도 24의 배치 3에 대한 측정한 저항률 데이터[저항률 프로파일(240)]를, 하단부터 상단까지의 잉곳 높이에 대한 Ωcm의 저항으로 나타낸 그래프이다. 대략 50mm에서 배치 3의 P/N 전환이 이루어지며, UMG-Si의 수율은 대략 28%(참조부호 246로 나타냄)가 된다. 표(242)는 Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하는, 배치 3에 대한 저항률 데이터를 제공한다.
도 28은 도 24의 배치 4에 대한 측정한 저항률 데이터[저항률 프로파일(248)]를, 하단부터 상단까지의 잉곳 높이에 대한 Ωcm의 저항으로 나타낸 그래프이다. 대략 70mm에서 배치 4의 P/N 전환이 이루어지며, UMG-Si의 수율은 대략 41%(참조부호 252로 나타냄)가 된다. 표(250)는 Ωcm로 나타낸 저항률의 평균값, 중간값, 최소값 및 최대값을 포함하는, 배치 4에 대한 저항률 데이터를 제공한다.
도 29는 하단부터 상단까지 캐스팅된 잉곳의 사진이다. 본 발명은
실리콘 공급원료의 매 배치로부터 작은 테스트 잉곳을 생성하고 하단부터 상단까지 저항률을 측정함으로써 UMG-Si 공급원료의 품질을 제어하기 위한 방법을 제공한다. 본 공정에 의하면, 잉곳에 대한 성장 조건을 판정할 수 있다. 일실시예에서는 450kg의 잉곳을 생성하며, p형 수율을 증가시키기 위한 성장 조건과 저항률 제어를 특정한다. 그러나 본 발명에 의하면, 다른 성장 조건도 가능하다.
도 30은 본 발명에 따른 결정 성장기 도가니 구성의 실시예를 나타내고 있다. 공급원료의 품질을 제어하기 위해, 본 발명은 도 30에 나타낸 것과 같이, 공급원료 재료의 붕소 및 인의 농도를, 다양한 설정을 채택할 수 있는 다중 도가니 결정 성장기를 사용하여, 동시에 성장한(방향성 응고 공정에 따라) 테스트 잉곳의 하단부터 상단까지의 저항률 프로파일에 의해 판정한다. 결정 성장기 형성부(crystal grower formation)(262)는 동일한 동작 동안 최대 4개의 테스트 잉곳을 성장시킬 수 있는 2×2 도가니 형성부를 갖는다. 결정 성장기 형성부(264)는 동일한 동작 동안 최대 9개의 테스트 잉곳을 성장시킬 수 있는 3×3 도가니 형성부를 갖는다. 결정 성장기 형성부(266)는 동일한 동작 동안 최대 16개의 테스트 잉곳을 성장시킬 수 있는 4×4 도가니 형성부를 갖는다. 결정 성장기 형성부(268)는 동일한 동작 동안 최대 36개의 테스트 잉곳을 성장시킬 수 있는 6×6 도가니 형성부를 갖는다. 더 큰 구성(예를 들어, 7×7), 가늘고 긴 직사각형의 형성부(예를 들어, 2×3, 3×2, 3×4, 또는 4×3) 또는 이들의 임의의 변형예와 같은 다른 도가니 형성부를 사용할 수 있다.
일실시예에서, 테스트 잉곳은 15kg의 범위의 무게를 가질 수 있으며, 공정은 서로 다른 공급원료 배치로부터 동일한 동작 동안 이들 테스트 잉곳을 성장시킨다. 실험적 테스트에 의해, 본 방법으로 전체 공급원료 배치의 유효 특징을 확인한다. 통상적으로, 공급원료 배치는 2000kg부터 6000kg까지의 범위를 가질 수 있다.
또한, 공급원료 재료 내의 붕소 및 인의 판정 및 제어는 SiC 오염(contamination)의 검출에 의해 보충될 수 있다. 이것은 적외선(IR) 검사를 사용하여 이러한 공급원료 재료로부터 잉곳 내의 "개재물"(inclusion)을 검출함으로써 행해질 수 있다.
도 30의 공급원료 재료의 배치를 포함하는 도가니는 결정화 동안 교차 오염을 방지하기 위해 높은 순수도를 갖는 흑연 또는 그와 같은 재료로 이루어진 덮개로 덮을 수 있다. 도 30에 나타낸 구성은 서로 다른 공급원료 배치를 동시에 캐스팅 및 테스트하기 위한 가능한 구성의 예이다. 다른 예로서, 다른 구성에서는 원통형 등의 상이한 도가니 형태를 사용해도 된다.
도 31은 방향성 응고 런에 대한 4개의 도가니에 대한 단일 도가니 열적 구성의 변형 예를 나타내는 사진이다. 단일의 도가니 결정 성장기(270)는 4개의 도가니 결정 성장기(272)로 변경되었다. 따라서, 방향성 응고 런에 대한 4개의 테스트 잉곳은 동시에 성장될 수 있다(도면 부호 274로 나타낸 사진 참조).
본 실시예에서, 개별의 잉곳 사이즈는 6 인치 태양 전지의 생성을 감안한다. 본 발명의 방법에 의하면, 신속하고 신뢰성 있는 B/P 비율의 제어가 가능하다. 도 31에 나타낸 실시예에 의하면, UMG-Si 공급원료 재료의 50MT의 공급원료 사이즈에 대응하는 런에 대한 36개의 잉곳까지 확장할 수 있다.
상대적으로 작은 사이즈의 이들 테스트 잉곳에 의하면, 열 및 가스 흐름 대칭성을 보장하기 위한 특정적으로 설계된 구성 요소를 가진 산업 규모의 결정화 노를 사용하여 효과적으로 제어된 결정화가 가능하다. B/P 비율 확인을 위한 공급원료 배치에 대한 하나의 잉곳 테스트가 사용되고, SiC 개재물(inclusion)의 검출과 같은 분석이 뒤따를 수 있다.
도 32는 실제의 UMG-Si 잉곳에서 발견된 실리콘 카바이드(SiC) 불순물을 나타내는 사진이다. 잉곳(276), 잉곳(278) 및 잉곳(280) 내의 SiC 개재물의 정도가 다르다. SiC 개재물은 적외선 촬상(IR) 프로세스를 통해 판정될 수 있다. 종종, 공급원료 공급자의 위치에서의 프로세스 조건에 따라, SiC 개재물은 배치마다 형성될 수 있다. SiC 개재물을 가진 공급원료는 개재물을 갖는 잉곳을 생성하며, 공급원료 공급자의 위치에서의 더 양호한 제어 프로세스에 의해 사용자(예를 들어, 태양 전지 제조업자) 위치에서의 개재물 없는 잉곳의 생성이 가능하다. 일실시예에서, 다수 도가니 설정은 공급원료 제료의 신뢰성 있는 프로세스 제어를 가능하게 한다. 다수 도가니 캐스팅에 기반을 둔 제어 방법도 공급원료 사용자를 위한 도입되는 공급원료 재료의 특징을 나타내는 데에 적용할 수 있다.
도 33은 본 발명의 UMG-Si 제어 프로세스의 일실시예에 대한 주요 단계를 나타내는 공정 흐름이다. 단계 290에서, 공급원료 재료 배치가 분석을 위해 선택된다. 통상적으로, 배치 사이즈는 대략 2MT에서 6MT의 범위이다. 합격 판정 테스트에서, 분석 배치 사이즈 대 공급원료 배치 사이즈는 2×10-3보다 커야 한다. 이 비율은 UMG-Si 공급원료의 화학적 분석에 기초한 현재의 기준보다 천 배 내지 만 배 크다.
단계 292에서, 테스트 배치의 결정화가 이루어진다. 도가니의 사이즈 및 형태는 통상적으로 156mm×156mm 정도의 웨이퍼를 생성할 수 있는 잉곳을 고려한다. 또한, 본 발명의 프로세스는 단일의 런 내의 다수의 배치를 분석하기 때문에, 모든 도가니 및 테스트 배치에 대해 대칭적 열 및 기체 흐름 조건이 존재하여야 한다.
단계 294에서, 개별 잉곳의 저항률 프로파일을 측정한다. 이러한 저항률 프로파일로부터, 붕소 및 인의 농도를 판정할 수 있다.
선택적 단계 296은 분석된 공급원료 배치 내의 붕소 및 인의 양에 기초하여 적절한 저항률 프로파일을 생성하고 잉곳 수율을 증가시키기 위해 사용될 수 있는 코도펀트를 판정한다. 선택적 단계 298은 IR 분석을 통해 테스트 잉곳 내의 SiC 개재물을 판정한다. 선택적 단계 300은 공급원료 배치의 광범위한 평가를 위한 테스트 웨이퍼를 생성한다.
동작에 있어서, 본 발명은 배치로부터 테스트 잉곳 UMG-Si의 저항률 프로파일에 기초하여 UMG-Si 공급원료 배치 내의 불순물의 농도를 판정하기 위한 품질 제어 방법을 제공한다. UMG-Si 공급원료 배치에 각각 대응하는 다수의 테스트 잉곳은 방향성 잉곳 프로세스에 따라 동시에 성장될 수 있다.
본 발명을 상세하게 개시하였지만, 청구범위에 정의된 바와 같이, 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형, 변경 및 대체가 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 고순도화한 금속급 실리콘(UMG-Si: upgraded metallurgical-grade silicon) 공급원료의 품질을 평가하기 위한 제어 방법으로서,
    실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 UMG-Si 공급원료 배치(feedstock batch)로부터 용융 UMG-Si의 방향성 응고(directional solidification)를 수행하는 단계;
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 상단부터 하단까지의 저항률(resistivity)을 측정하는 단계;
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일(resistivity profile)을 매핑하는 단계; 및
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일에 기초하여, 상기 UMG-Si 공급원료 배치의 인(phosphorous) 및 붕소(boron)의 농도를 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일에 기초하여 UMG-Si 공급원료 배치의 인 및 붕소의 농도를 계산하는 단계는, 상기 실리콘 테스트 잉곳의 저항률 프로파일로부터 판정된 상기 실리콘 테스트 잉곳의 수율(yield)에 기초하여 상기 선택한 UMG-Si 공급원료 배치의 인 및 붕소 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택한 UMG-Si 공급원료 배치의 인 및 붕소의 농도에 기초하여 적절한 저항률 프로파일을 생성하고 잉곳 수율을 증가시키는 데에 사용하기 위한 코-도펀트(co-dopant)를 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳 내의 실리콘 카바이드(SiC) 개재물(inclusion)을 적외선(IR) 촬상 분석을 통해 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳으로부터 테스트 웨이퍼를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 UMG-Si 공급원료 배치에 대한 상기 실리콘 테스트 잉곳의 중량비(weight ratio)는 2×10-3보다 큰 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 무게는 대략 15kg인 것인, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 방향성 응고를 수행하는 단계는, 상기 실리콘 테스트 잉곳의 상단 및 한쪽 면 상에 불순물을 집중시키는 이중 방향성 응고 노(dual directional solidification furnace)를 사용하는, 방법.
  9. 고순도화한 금속급 실리콘(UMG-Si: upgraded metallurgical-grade silicon) 공급원료의 품질을 평가하기 위한 제어 방법으로서,
    특정의 UMG-Si 공급 원료 배치에 각각 대응하는 다수의 실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 단일의 결정 성장기(crystal grower) 내의 다수의 UMG-Si 공급원료 배치(feedstock batch)로부터 용융 UMG-Si의 동시 방향성 응고(simultaneous directional solidification)를 수행하는 단계;
    상기 다수의 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 상단부터 하단까지의 저항률(resistivity)을 측정하는 단계;
    상기 다수의 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 저항률 프로파일(resistivity profile)을 매핑하는 단계; 및
    상기 대응하는 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 저항률 프로파일에 기초하여, 상기 UMG-Si 공급원료 배치의 각각의 인(phosphorous) 및 붕소(boron)의 농도를 계산하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 특정의 UMG-Si 공급 원료 배치에 각각 대응하는 다수의 실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 단일의 결정 성장기 내의 다수의 UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 동시 방향성 응고를 수행하는 단계는, 특정의 UMG-Si 공급원료 배치에 각각 대응하는 다수의 실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 다수 도가니(multi-crucible)를 가진 단일의 결정 성장기 내의 다수의 UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 동시 방향성 응고를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 대응하는 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 저항률 프로파일에 기초하여 UMG-Si 공급원료 배치의 각각의 인 및 붕소의 농도를 계산하는 단계는, 상기 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 저항률 프로파일로부터 판정된 상기 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 수율(yield)에 기초하여 상기 선택한 UMG-Si 공급원료 배치의 각각의 인 및 붕소 농도를 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 선택한 UMG-Si 공급원료 배치의 인 및 붕소의 농도에 기초하여 적절한 저항률 프로파일을 생성하고 잉곳 수율을 증가시키는 데에 사용하기 위한 코-도펀트(co-dopant)를 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳 내의 실리콘 카바이드(SiC) 개재물(inclusion)을 적외선(IR) 촬상 분석을 통해 판정하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 각각으로부터 테스트 웨이퍼를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 대응하는 UMG-Si 공급원료 배치의 각각에 대한 상기 실리콘 테스트 잉곳의 중량비(weight ratio)는 2×10-3보다 큰 것인, 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 무게는 대략 15kg인 것인, 방법.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 방향성 응고를 수행하는 단계는, 상기 실리콘 테스트 잉곳의 각각의 상단 및 한쪽 면 상에 불순물을 집중시키는 이중 방향성 응고 노(dual directional solidification furnace)를 사용하는, 방법.
  18. 제9항에 있어서,
    상기 특정의 UMG-Si 공급 원료 배치에 각각 대응하는 다수의 실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 단일의 결정 성장기 내의 다수의 UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 동시 방향성 응고를 수행하는 단계는, 특정의 UMG-Si 공급원료 배치에 각각 대응하는 다수의 실리콘 테스트 잉곳을 형성하기 위해 N×N 도가나 형성부를 갖는 다수 도가니(multi-crucible)의 단일의 결정 성장기 내의 다수의 UMG-Si 공급원료 배치로부터 용융 UMG-Si의 동시 방향성 응고를 수행하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8547121B2 (en) * 2009-04-29 2013-10-01 Silicor Materials Inc. Quality control process for UMG-SI feedstock
US20100310445A1 (en) * 2009-04-29 2010-12-09 Calisolar, Inc. Process Control For UMG-Si Material Purification
TW201224227A (en) * 2010-12-07 2012-06-16 Eversol Corp Process for increasing quality of silicon brick doped by recycled silicon material
FR2978548A1 (fr) * 2011-07-27 2013-02-01 Commissariat Energie Atomique Determination des teneurs en dopants dans un echantillon de silicium compense
US20130034229A1 (en) 2011-08-05 2013-02-07 Apple Inc. System and method for wireless data protection
US20150299826A1 (en) * 2012-12-10 2015-10-22 Showa Denko K.K. Method of producing silicon-containing aluminum alloy ingot
US20150314367A1 (en) * 2012-12-10 2015-11-05 Showa Denko K.K. Method of producing silicon-containing aluminum alloy ingot
CN104502416A (zh) * 2014-12-04 2015-04-08 青岛隆盛晶硅科技有限公司 一种测试硅锭提纯工艺出成率的方法
CN104891500B (zh) * 2015-05-29 2016-12-07 昆明理工大学 一种去除冶金级硅中硼的方法
CN106637399A (zh) * 2017-03-24 2017-05-10 晶科能源有限公司 一种多晶硅铸锭热场
CN110687167A (zh) * 2019-10-17 2020-01-14 赛维Ldk太阳能高科技(新余)有限公司 一种硅料的检测方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3008887A (en) * 1958-10-08 1961-11-14 Du Pont Purification process
US4124410A (en) * 1977-11-21 1978-11-07 Union Carbide Corporation Silicon solar cells with low-cost substrates
US5585734A (en) * 1990-07-09 1996-12-17 Interuniversitair Micro Elektronica Centrum Vzw Method for determining the resistance and carrier profile of a semiconductor element using a scanning proximity microscope
JP3368113B2 (ja) * 1995-09-05 2003-01-20 シャープ株式会社 多結晶半導体の製造方法
US5814148A (en) * 1996-02-01 1998-09-29 Memc Electronic Materials, Inc. Method for preparing molten silicon melt from polycrystalline silicon charge
US6011810A (en) * 1996-04-23 2000-01-04 The Regents Of The University Of California Doping of germanium and silicon crystals with non-hydrogenic acceptors for far infrared lasers
WO2003004734A1 (en) * 2000-11-03 2003-01-16 Memc Electronic Materials, Inc. Method for the production of low defect density silicon
DE10056726A1 (de) * 2000-11-15 2002-05-23 Solar Gmbh Deutsche Multikristallines Silicium mit einem geringen Anteil an aktiven Korngrenzen
FR2827592B1 (fr) * 2001-07-23 2003-08-22 Invensil Silicium metallurgique de haute purete et procede d'elaboration
US6942730B2 (en) * 2001-11-02 2005-09-13 H. C. Materials Corporation Hybrid stockbarger zone-leveling melting method for directed crystallization and growth of single crystals of lead magnesium niobate-lead titanate (PMN-PT) solid solutions and related piezocrystals
NO333319B1 (no) * 2003-12-29 2013-05-06 Elkem As Silisiummateriale for fremstilling av solceller
US7141114B2 (en) * 2004-06-30 2006-11-28 Rec Silicon Inc Process for producing a crystalline silicon ingot
JP4993874B2 (ja) * 2005-05-06 2012-08-08 京セラ株式会社 シリコンインゴット用の鋳型
JP2006335582A (ja) * 2005-05-31 2006-12-14 Daiichi Kiden:Kk 結晶シリコン製造装置とその製造方法
JP4689373B2 (ja) * 2005-07-04 2011-05-25 シャープ株式会社 シリコンの再利用方法
US20080178793A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Calisolar, Inc. Method and system for forming a higher purity semiconductor ingot using low purity semiconductor feedstock
US20080197454A1 (en) * 2007-02-16 2008-08-21 Calisolar, Inc. Method and system for removing impurities from low-grade crystalline silicon wafers
US20090039478A1 (en) * 2007-03-10 2009-02-12 Bucher Charles E Method For Utilizing Heavily Doped Silicon Feedstock To Produce Substrates For Photovoltaic Applications By Dopant Compensation During Crystal Growth
US7651566B2 (en) * 2007-06-27 2010-01-26 Fritz Kirscht Method and system for controlling resistivity in ingots made of compensated feedstock silicon
CN101131371B (zh) * 2007-10-08 2010-06-02 苏州阿特斯阳光电力科技有限公司 一种精炼冶金硅的杂质含量检测分析方法
FR2929755B1 (fr) * 2008-04-03 2011-04-22 Commissariat Energie Atomique Procede de traitement d'un substrat semi-conducteur par activation thermique d'elements legers
US20090289390A1 (en) * 2008-05-23 2009-11-26 Rec Silicon, Inc. Direct silicon or reactive metal casting
CN101353167A (zh) * 2008-08-08 2009-01-28 贵阳高新阳光科技有限公司 一种超纯冶金硅的制备方法
US8547121B2 (en) * 2009-04-29 2013-10-01 Silicor Materials Inc. Quality control process for UMG-SI feedstock
US20100310445A1 (en) * 2009-04-29 2010-12-09 Calisolar, Inc. Process Control For UMG-Si Material Purification
CA2673621A1 (en) * 2009-07-21 2009-12-11 Silicium Becancour Inc. A method for evaluating umg silicon compensation

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