KR20120041654A - 다결정 실리콘의 제조 방법 - Google Patents

다결정 실리콘의 제조 방법 Download PDF

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KR20120041654A
KR20120041654A KR1020110094408A KR20110094408A KR20120041654A KR 20120041654 A KR20120041654 A KR 20120041654A KR 1020110094408 A KR1020110094408 A KR 1020110094408A KR 20110094408 A KR20110094408 A KR 20110094408A KR 20120041654 A KR20120041654 A KR 20120041654A
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KR1020110094408A
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토모히로 오니즈카
신야 후쿠시마
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가부시키가이샤 사무코
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Abstract

(과제) 초기 용해시에 이용하는 더미 바에 기인하여 발생하는 이물의 혼입을 방지하여, 수율을 개선할 수 있는 다결정 실리콘의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단) 전자기 유도법에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 몰드(2) 내의 실리콘 원료를 초기 용해할 때에 당해 실리콘 원료를 지지하기 위한 더미 바(4)로서, 더미 바 본체(4a)의 상면에 실리콘(5)이 결합된 더미 바를 사용한다. 상기 더미 바로서, 주조 종료 후에, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써, 더미 바 본체의 상면에 실리콘을 존재시킨 더미 바, 나아가서는, 이것에 산에 의한 세정 등의 처리를 행한 더미 바를 사용하는 실시 형태를 채용하는 것으로 하면, 종래의 카본 더미 바를 사용한 경우에 있어서의 질화 규소의 이물의 혼입을 억제하여, 수율의 향상 등, 여러 가지의 개선을 도모할 수 있다.

Description

다결정 실리콘의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING POLYCRYSTALLINE SILICON}
본 발명은, 전자기 유도(electromagnetic induction)에 의한 연속 주조법을 적용하여 태양전지의 기판재(材) 등에 사용되는 다결정 실리콘을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 몰드 내의 실리콘 원료의 초기 용해시에 이용하는 더미 바(dummy bar)에 기인하여 발생하는 이물의 혼입을 방지하여, 수율(yield)을 개선할 수 있는 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.
전자 유도에 의한 연속 주조법(이하, 「전자 주조법」이라고 함)에 의하면, 용해된 물질(여기에서는, 용융 실리콘)과 몰드와는 거의 접촉하지 않기 때문에, 불순물 오염이 없는 주괴(잉곳)를 제조할 수 있다. 몰드로부터의 오염이 없기 때문에, 몰드의 재질로서 고순도 재료를 사용할 필요가 없다는 이점도 있고, 또한, 연속하여 주조할 수 있기 때문에, 제조 비용의 대폭적인 저감이 가능하다. 따라서, 전자 주조법은, 종래부터 태양전지의 기판재로서 이용되는 다결정 실리콘의 제조에 적용되어 왔다.
이 전자기 주조법에서는, 고주파 유도 코일의 내측에, 둘레방향으로 서로 전기적으로 절연되고, 그리고 내부가 수냉된, 전기 전도성과 열 전도성이 좋은 물질(통상은 구리)을 단책(短冊) 형상으로 늘어놓은 바닥이 없는 냉각 몰드(또는 도가니)를 이용한다. 코일의 형상 및 바닥이 없는 몰드로서 기능하는 단책 형상의 물체로 둘러싸인 부분의 형상은, 원기둥 형상, 각기둥 형상 중 어느 것이라도 좋다. 또한, 바닥이 없는 몰드의 하부에는 하방으로 이동 가능한 지지대를 설치한다.
용해 용기로서 구성된 구리제(製)의 몰드에 원료 실리콘을 장입(裝入)하여, 고주파 유도 코일에 교류 전류를 통하게 하면, 몰드를 구성하는 단책 형상의 각 소편(素片)은 서로 전기적으로 분할되어 있기 때문에, 각 소편 내에서 전류가 루프를 만들고, 몰드의 내벽측의 전류가 몰드 내에 자계를 형성하여, 몰드 내의 실리콘을 가열 용해할 수 있다. 몰드 내의 용융 실리콘은, 몰드 내벽의 전류가 만드는 자계와 용융 실리콘 표피의 전류의 상호작용에 의해 용융 실리콘 표면의 내측 법선 방향의 힘을 받아, 몰드와 비접촉 상태로 용해된다.
이와 같이 몰드 내의 실리콘을 용해시키면서, 용융 실리콘을 하부에서 보유지지하는 지지대를 하방으로 이동시키면, 고주파 유도 코일의 하단으로부터 멀어짐에 따라 유도 자계가 작아지기 때문에, 발생 전류가 저하되어 발열량이 감소하여, 용융 실리콘의 저부에서 상방을 향하여 응고가 진행된다.
지지대의 하방으로의 이동에 맞추어, 몰드의 상방으로부터 원료를 연속적으로 투입하고, 용해 및 응고를 계속함으로써, 일 방향으로 응고시키면서 다결정 실리콘 잉곳을 연속하여 주조할 수 있다. 실리콘 용융액을 응고시켜 잉곳으로 할 때에 일 방향 응고가 채용되는 것은, 결정립(結晶粒)을 크게 성장시킴과 함께, 응고에 수반하는 체적 팽창에 의한 균열을 막기 위해서이다.
이러한 전자기 주조법에 의해 다결정 실리콘을 연속 주조하는 경우, 고체의 실리콘 원료를 맨 처음에 용해(초기 용해)할 때에, 몰드 내에 공급되는 실리콘 원료를 지지하기 위해, 통상은 흑연제의 더미 바(카본 더미 바)가 사용된다.
도 4는, 종래의 초기 용해시에 있어서의 더미 바의 배치 상황을 개략적으로 예시하는 종단면도이다. 도시하는 바와 같이, 지지대(3)에 보유지지된 카본 더미 바(4)는, 맨 처음 바닥이 없는 몰드(2)의 저부 근방의 높이 레벨에 배치된다. 카본 더미 바(4)는, 더미 바 본체(4a)와, 그 상면에 오목부를 형성하도록 부착된 오목부 형성 부재(4b)로 이루어져 있다. 이 카본 더미 바(4)에는, 실리콘의 융착을 억제하기 위한 이형제(離型劑)(질화 규소)가 도포되어 있다.
질화 규소가 도포된 카본 더미 바(4)의 위에, 뒤에 상세히 설명하는 초기 원료(리사이클재(7)) 및, 초기 원료(고체 실리콘 원료;9)를 공급하여, 예를 들면, 몰드(2)의 상방에 부착된 플라즈마 토치(도시하지 않음)에 의해 가열한다. 초기 원료(리사이클재(7)) 및 초기 원료(고체 실리콘 원료;9)는 용해되어 용융 실리콘이 되어, 카본 더미 바(4)의 상면의 오목부 전체로 확장된다. 이어서 고체의 실리콘 원료를 투입하고, 용해시키면서, 지지대(3)를 하방으로 이동시키면, 고주파 유도 코일(1)의 하단으로부터 멀어짐에 따라 유도 자계가 작아지기 때문에, 발생 전류가 저하되어 발열량이 감소하여, 상기 오목부 전체로 확장된 용융 실리콘은 응고되고, 카본 더미 바(4)와 실리콘 잉곳(도시하지 않음)이 결합된다.
그런데, 이 초기 용해 공정에서, 카본 더미 바와 용융 실리콘과의 접촉에 수반하는 이형제(질화 규소)가 끌려들어가거나 카본 농도의 상승이 발생하여, 최종 응고 부위(잉곳의 톱(top) 부위)에서 이물이 발생하여 수율이 저하된다는 문제가 있다.
또한, 주조 종료 후, 잉곳으로부터 카본 더미 바를 떼어낼 때에 더미 바의 대부분이 파손되기 때문에, 더미 바의 교환 빈도가 높아, 제조 비용 상승의 일원인이 되고 있다.
또한, 잉곳의 보텀(bottom) 부위는 결정 품질이 나쁘고, 질화 규소가 부착되어 있기 때문에 실리콘 폐기재로서 폐기하지 않을 수 없다.
초기 용해시에 사용하는 더미 바에 대해서는, 예를 들면, 특허문헌 1에, 전자기 유도에 의한 다결정 실리콘의 연속 주조에 있어서, 더미 블록(더미 바와 동일) 본체의 상면에, 용해된 실리콘 원료가 유입되고 그리고 그 용융 실리콘이 응고된 후 상방으로 빠지지 않는 바와 같은 오목부를 복수로 분할할 수 있는 분할편으로 형성한 조립식의 더미 블록을 이용한 실리콘 주조 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 실리콘 주괴와 더미 블록이 결합되기 때문에, 안정된 인발이 가능하며, 주조 후에 분할편 및 더미 본체를 저항 없이 주괴로부터 분리할 수 있고, 이형제의 벗겨짐도 전혀 없다고 되어 있다.
이 특허문헌 1에 기재되는, 더미 블록 본체의 상면에, 용해된 실리콘 원료를 유입시켜 응고한 후는 상방으로 빠지지 않는 바와 같은 오목부를 형성하는 조립식의 더미 블록은, 안정된 인발을 가능하게 하는데 있어서 매우 유효하다. 그러나, 실제의 조업시에는, 전술한 바와 같이, 질화 규소가 끌려들어가는 것을 피하지 못하여, 결정 품질의 악화에 의한 수율의 저하를 피할 수 없게 된다.
일본특허 제2660477호 공보
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 몰드 내의 실리콘 원료의 초기 용해시에 이용하는 더미 바에 기인하여 발생하는 이물의 혼입을 방지하여, 수율을 개선할 수 있는 다결정 실리콘의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명자들은, 상기의 과제의 해결에 있어서, 우선, 전자기 주조법에 의한 실리콘 잉곳의 제조 수율을 저하시키고 있는 요인의 하나인 잉곳 톱 부위에서 발생하는 이물의 성분을 조사했다. 그 결과, 이물의 주성분은, N, C, Si이며, 그들 혼입원은 노체(爐體) 샤프트와 잉곳을 연결하는 카본 더미 바 및, 카본 더미 바의 위에 도포되는 이형제(질화 규소)인 것이 판명되었다.
질화 규소가 결정 중에 존재하면, 그 결정으로부터 절출된 웨이퍼에 질화 규소의 이물이 포함되게 된다. 이들 질화 규소의 이물은, C, Si계의 이물과 비교하여, 태양전지를 구성했을 때의 광특성에 있어서의 리크의 원인이 되기 쉬워, 웨이퍼 품질을 열화시키게 된다.
그래서 본 발명자들은, 실리콘 원료의 초기 용해시에, 실리콘 원료와 질화 규소의 접촉을 없애는 것을 전제로 하여, 상기 과제의 해결책을 검토했다. 질화 규소의 도포가 카본 더미 바와 실리콘의 융착을 억제하기 위해서인 것을 생각하면, 이 전제는, 질화 규소가 존재하지 않는 상태에서 카본 더미 바와 용융 실리콘과의 접촉을 회피하여 C의 용출을 억제하는 것이기도 하다. 따라서, 이 전제를 추진함으로써, 질화 규소의 이물 및 C, Si계의 이물의 발생을 억제할 수 있어, 수율을 개선할 수 있음과 함께, 잉곳 중의 탄소 농도의 저감에도 기여할 수 있게 된다.
검토의 결과, 결정 품질이 매우 나쁘고, 또한 질화 규소도 부착되어 있기 때문에, 재생하지 못하고 폐기하고 있었던 보텀 부위를 그대로 사용한다는 착상을 얻었다. 즉, 종래 폐기하고 있었던 보텀 부위의 적절한 개소에서 잉곳을 절단하여, 보텀 부위의 실리콘이 더미 바에 결합된 상태인 채 재차 더미 바로서 사용한다는 사고 방식(방법)이다.
이 방법에 의하면, 종래 폐기하고 있었던 잉곳의 보텀 부위를 리사이클재로서 이용할 수 있어, 원료 비용의 삭감이나 실리콘 폐기재의 폐기량 삭감에 기여할 수 있다. 또한, 후술하는 초기 원료를 준비하기 위한 절단 작업 등을 생략할 수 있기 때문에, 후공정의 공수 삭감에도 기여할 수 있다.
본 발명은 이러한 검토 그리고 착상에 기초하여 이루어진 것으로, 하기의 다결정 실리콘의 제조 방법을 요지로 한다.
즉, 유도 코일 내에, 축 방향의 일부가 둘레방향에서 복수로 분할된 도전성의 바닥이 없는 냉각 몰드를 설치하고, 당해 바닥이 없는 몰드 내에서 실리콘 원료를 전자기 유도에 의해 용해하고, 용융된 실리콘을 하방으로 인하 응고시키는 다결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 바닥이 없는 몰드 내의 실리콘 원료를 초기 용해할 때에 당해 실리콘 원료를 지지하기 위한 더미 바로서, 더미 바 본체의 상면에 실리콘이 결합된 더미 바를 사용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법이다.
여기에서, 「초기 용해」란, 전자기 주조법에 의해 다결정 실리콘을 연속 주조하는 경우에, 맨 처음에 몰드 내에 공급된 고체 실리콘 원료(초기 원료)를, 예를 들면, 몰드의 상방에 부착된 플라즈마 토치에 의해 가열하여 용해하는 조작을 말한다.
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 상기 더미 바로서, 더미 바 본체의 상면에, 용해된 실리콘 원료가 유입되고 그리고 그 실리콘이 응고된 후 상방으로 빠지지 않도록 실리콘 잉곳과 더미 바가 접촉하는 부위의 단면적을 정상(定常) 주조 부위의 실리콘 잉곳의 단면적보다 작게 한 오목부를 형성하는 오목부 형성 부재가 부착된 더미 바로서, 초기 용해시에 용해된 실리콘 원료가 당해 오목부에 유입되며, 주조 중에 상기 오목부에 유입된 실리콘이 응고되어 더미 바와 실리콘 잉곳이 결합하고, 주조 종료 후에, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써 더미 바로부터 실리콘 잉곳을 분리하고, 당해 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 사용하는 실시 형태(이하, 「실시 형태 1」이라고 기술함)를 채용하는 것으로 하면, 종래의 카본 더미 바를 사용한 경우에 있어서의 질화 규소의 이물의 혼입을 억제하여, 수율을 향상시키는 등, 여러 가지의 개선을 도모할 수 있다.
여기에서, 「정상 주조 부위」란, 실리콘의 주조가 개시되는 부위(즉, 더미 바 본체의 상면)를 가리킨다. 따라서, 「정상 주조 부위의 실리콘 잉곳의 단면적」이란, 더미 바 본체의 상면에 형성되는 실리콘 잉곳의 당해 상면에 있어서의 단면적(후술하는 도 1 중에 부호 SB를 붙여 표시)을 말한다. 한편, 「실리콘 잉곳과 더미 바가 접촉하는 부위」란, 상기 더미 바 본체의 상면에 형성되는 실리콘 잉곳과, 더미 바 본체의 상면 테두리부에 부착된, 더미 바의 일부를 구성하는 오목부 형성 부재가 접하는 높이 방향 부위에서, 특히 그 부위에 있어서의 단면적이 최소가 되는 부위(도 1 중에 부호 A를 붙인 부위)를 말한다. 따라서, 「실리콘 잉곳과 더미 바가 접촉하는 부위의 단면적」이란, 상기 부호 A를 붙인 부위에 있어서의 단면적(도 1 중에 부호 SA를 붙여 표시)이다.
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법(상기의 실시 형태 1)에 있어서, 상기 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 사용할 때에, 실리콘 잉곳을 분리한 후의 더미 바의 몰드 벽에 대향하는 면을 그라인딩(grinding) 처리하고, 이어서, 산에 의한 세정 및 건조 처리를 행하여 얻어진 더미 바를 사용하는 실시 형태(이하, 「실시 형태 2」라고 기술함)를 채용하는 것으로 하면, 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 사용할 때의 그 표면을 청정하게 유지할 수 있기 때문에 바람직하다.
또한, 이하에 있어서, 특별히 명시하지 않는 한, 「본 발명의 실시 형태」라고 하면, 상기한 실시 형태 1 및 2를 가리키는 것으로 한다.
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법(본 발명의 실시 형태를 포함함)에 의하면, 실리콘 원료를 초기 용해할 때에, 초기 원료와 질화 규소, 나아가서는 카본 더미 바와의 접촉을 없앰으로써, 잉곳 톱부에서의 이물의 발생을 억제하여 잉곳의 제조 수율을 개선할 수 있어, 잉곳 중의 C농도의 저감에도 기여할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 제조 방법에 의하면, 추가로, 주조 종료 후에 잉곳으로부터 카본 더미 바를 떼어낼 필요가 없고, 떼어냄에 수반하는 더미 바의 파손을 회피할 수 있어, 카본 더미 바의 수명 연장에 의한 제조 비용 삭감에도 기여할 수 있다. 또한, 종래 실리콘 폐기재로서 폐기하고 있었던 잉곳 보텀부를, 카본 더미 바를 떼어내지 않고 그대로 일체로 하여 더미 바로서 사용하기 때문에, 원료 비용의 삭감이나 실리콘 폐기재의 폐기량 삭감에 기여할 수 있다. 덧붙여, 보텀부 근방의 실리콘을 후술하는 바와 같이 절단(주기(鑄肌;cast surface) 절제) 등의 가공을 행하여 초기 원료로서 리사이클하고 있었지만, 이 절단 작업 등을 생략할 수 있기 때문에 공수 삭감에도 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태를 적용할 때의 초기 용해시에 있어서의 더미 바의 배치 상황을 개략적으로 예시하는 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에서 사용하는 더미 바의 가공 순서를, 종래의 주조 종료 후에 있어서의 잉곳 보텀부의 가공 순서와 대비하여 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태를 적용한 경우의 이물 발생 영역의 축소의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 종래의 초기 용해시에 있어서의 더미 바의 배치 상황을 개략적으로 예시하는 종단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법은, 유도 코일 내에, 축 방향의 일부가 둘레방향에서 복수로 분할된 도전성의 바닥이 없는 냉각 몰드를 설치하고, 당해 바닥이 없는 몰드 내에서 실리콘 원료를 전자기 유도에 의해 용해하고, 용융된 실리콘을 하방에 인하 응고시키는 다결정 실리콘의 제조 방법을 전제로 하고 있다.
이러한 전자기 주조법을 전제로 하는 것은, 태양전지의 기판재로서 이용되는 다결정 실리콘을 제조할 때에, 몰드 내에서, 용융 실리콘과 몰드를 거의 접촉시키지 않고 주조를 행하여, 몰드로부터의 금속 오염이 없고, 태양전지의 기판재로서 적합한 다결정 실리콘을 제조할 수 있기 때문이다. 몰드의 재질로서 고순도 재료를 사용할 필요가 없고, 또한, 연속하여 주조할 수 있기 때문에, 제조 비용의 대폭적인 저감도 가능하다.
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법은, 바닥이 없는 몰드 내의 실리콘 원료를 초기 용해할 때에 당해 실리콘 원료를 지지하기 위한 더미 바로서, 더미 바 본체의 상면에 실리콘이 결합된 더미 바를 사용하는 것을 특징으로 한다.
더미 바로서, 더미 바 본체의 상면에 실리콘이 결합된 더미 바를 사용하는 것은, 전술한 바와 같이, 실리콘 원료의 초기 용해시에, 질화 규소가 존재하지 않는 상태로 카본 더미 바와 용융 실리콘과의 접촉을 회피하기 위해서이다. 더미 바의 상면에 실리콘이 존재하고 있으면, 실리콘 원료와 질화 규소의 접촉은 물론 없고, 더미 바와 용융 실리콘이 접촉하는 일도 없다.
더미 바 본체의 상면으로의 실리콘 결합의 방법(결합의 상태)에 대해서는 어떤 한정은 없다. 실리콘 잉곳 인발시에, 더미 바 본체와 그 상면에 결합시킨 실리콘이 분리되지 않고, 안정된 인발을 할 수 있는 정도의 결합 강도를 가진 상태이면 좋다. 예를 들면, 후술하는 본 발명의 실시 형태에서 사용하는 카본 더미 바에서 채용하고 있는 방법, 즉 더미 바 본체의 상면에 형성한 오목부에 실리콘을 유입시켜 응고시키는 방법 등이 적합하다.
더미 바 본체의 상면에 결합된 실리콘으로서는, 여러 가지 형성 이력의 실리콘이 적용 가능하다. 더미 바 본체의 상면에 결합시키기 위해 새롭게 제작된 실리콘은 물론이며, 예를 들면, 후술하는 본 발명의 실시 형태에서 사용하는 더미 바와 같이, 잉곳과 결합한 카본 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써 더미 바 본체 상면에 존재시킨(즉, 결합되어 있는) 실리콘이라도 좋다.
더미 바 본체의 상면에 결합된 실리콘의 두께나 순도에 대해서도 특별히 한정은 없다. 실리콘 원료의 초기 용해시에 당해 실리콘 원료를 지지한다는 더미 바의 본래의 목적, 그리고, 질화 규소가 존재하지 않는 상태에서 카본 더미 바와 용융 실리콘과의 접촉을 회피하여 C의 용출을 억제한다는 더미 바 본체의 상면에 실리콘을 존재시키는 목적에 입각하여 적절히 판단하면 좋다. 또한, 후술하는 본 발명의 실시 형태에서는, 실리콘의 두께는 40㎜ 정도가 된다.
이 더미 바를 사용하여 본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법을 실행하려면, 전자기 주조 개시시에, 당해 더미 바를 몰드의 소정 위치에 배치하고, 몰드 내에 초기 원료(고체 실리콘 원료)를 공급한다. 이어서, 예를 들면 플라즈마 토치에 의해 몰드 내의 고체 실리콘 원료를 가열하여, 실리콘 융액을 형성시킨다. 이때, 더미 바의 상면에 존재하는 실리콘도 용융하여, 상기 원료 실리콘 융액과 융합하면서 응고가 진행되기 때문에, 더미 바와 실리콘 잉곳이 결합하고, 더미 바를 보유지지하는 지지대를 하방으로 이동시킴으로써, 더미 바와 함께 실리콘 잉곳을 하방으로 인발할 수 있다.
또한, 이 더미 바를 사용할 때에, 후술하는 본 발명의 실시 형태 2에서 채용하고 있는 그라인딩 처리, 산 세정 처리 등의 처리를 적절히 행해도 좋다. 또한, 더미 바의 재질은, 종래와 동일하게, 흑연으로 하는 것이 좋다.
본 발명의 실시 형태 1은, 상기한 대로, 주조 종료 후에, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써 더미 바로부터 실리콘 잉곳을 분리한 상태의 것을 더미 바로서 사용하는 다결정 실리콘의 제조 방법이다. 즉, 주조 종료 후에, 재이용하지 못하고 폐기하고 있었던 보텀 부위의 실리콘이 결합되어 있는 더미 바를 재이용하는 다결정 실리콘의 제조 방법이다.
또한, 본 발명의 실시 형태 2는, 상기 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 재이용할 때에, 간소한 처리(그라인딩 처리, 그리고 산에 의한 세정 및 건조 처리)를 시행한 후, 더미 바로서 사용하는 다결정 실리콘의 제조 방법이다. 이하에, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태를 적용할 때의 초기 용해시에 있어서의 더미 바의 배치 상황을 개략적으로 예시하는 종단면도이다. 도시하는 바와 같이, 유도 코일(1) 내에 설치된 바닥이 없는 냉각 몰드(2)의 저부에 상당하는 위치에 지지대(3)가 배치되어 있다. 이 지지대(3)에 보유지지된 더미 바(4)는, 더미 바 본체(4a)의 상면에 오목부 형성 부재(4b)를 개재하여 잉곳 보텀 부위의 실리콘(5)이 결합된 더미 바이다.
즉, 이 더미 바(4)는, 더미 바 본체(4a)의 상면에, 용해된 실리콘 원료가 유입되고 그리고 그 실리콘이 응고된 후 상방으로 빠지지 않도록, 실리콘 잉곳과 더미 바가 접촉하는 부위(도 1 중에 부호 A를 붙인 부위)의 단면적(부호 SA를 붙여 표시)을 정상 주조 부위의 실리콘 잉곳의 단면적(부호 SB를 붙여 표시)보다 작게 한 오목부(부호 C를 붙인 부분)를 형성하는 오목부 형성 부재(4b)가 부착된 더미 바로서, 초기 용해시에 용해된 실리콘 원료가 당해 오목부에 유입되고, 주조 중에 상기 오목부에 유입된 실리콘이 응고됨으로써 더미 바와 실리콘 잉곳이 결합하고, 주조 종료 후에, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써 더미 바로부터 실리콘 잉곳을 분리하여 얻어진 더미 바이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태 2에서 사용하는 더미 바의 가공 순서를, 종래의 주조 종료 후에 있어서의 잉곳 보텀부의 가공 순서와 대비하여 나타내는 도면이다.
종래는, 주조 종료 후, 더미 바 본체(4a)와 오목부 형성 부재(4b)를 떼어낸 잉곳을 파선(a1, a2 및 a3)으로 절단한다(공정 1: 리사이클 부재의 컷(cut)). 정상 스크랩(scrap;6)은 잉곳의 보텀 부위에서, 결정 품질이 나쁘고, 질화 규소가 부착되어 있기 때문에 실리콘 폐기재로서 폐기된다. 리사이클재(7)(2매)는 가공이 행해져(다음에 서술하는 공정 2?4), 초기 원료로서 리사이클된다. 정상 스크랩(6) 및 리사이클재(7)를 제거함으로써 제품 잉곳(8)이 얻어진다. 또한, 정상 스크랩(6) 및 리사이클재(7)의 두께는 모두 40㎜이다.
잉곳으로부터 절출된 리사이클재(7)(2매)를, 주기를 제거하기 위해, 파선을 붙인 위치에서 절단한다(공정 2: 주기의 절제). 그 후, 주기가 절제된 리사이클재(7)를 질산과 불산의 혼합산으로 세정하고(공정 3: 세정), 이어서, 세정 후의 리사이클재(7)를 건조한다(공정 4: 건조). 건조 후의 리사이클재(7)는 초기 원료로서 리사이클된다(상기 도 4 참조).
이에 대하여, 본 발명의 실시 형태 2에서는, 전술한 바와 같이, 주조 종료 후, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단하여 더미 바로부터 실리콘 잉곳을 분리한다. 「결합부보다도 위의 잉곳의 부분」에서 절단하는 것은, 더미 바 본체의 상면에 실리콘을 존재시키기 위해서이다. 절단 개소는 구체적인 수치로 규정하고 있지 않지만, 실적 등을 감안하여 적절히 정하면 좋다. 도 2에 예시한 본 발명의 실시 형태 2에서 사용하는 더미 바의 가공 순서에서는, 더미 바 본체(4a)와 오목부 형성 부재(4b)를 떼어내지 않고, 종래의 초기 원료로서 사용하는 리사이클재를 포함하지 않는 정상 스크랩의 위치(종래예에 있어서의 파선(a1)의 위치) 부근에서 절단하고 있다(공정 1). 이 절단에 의해, 더미 바 본체의 상면에 실리콘(5)이 결합된 더미 바(4)가 얻어진다.
또한, 종래는, 리사이클재(7)를 더미 바(4)에 도포되는 질화 규소(이형제)의 부착 등의 영향을 다소는 받고 있는 부분이라고 하여 제품 잉곳(8)으로부터 잘라 내어, 상기와 같이 초기 원료로서 리사이클하고 있었지만, 본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법(실시 형태를 포함함)에서는 질화 규소를 사용하지 않기 때문에 잘라낼 필요가 없고, 리사이클재의 주기 절제 작업 등을 생략할 수 있다.
다음으로, 공정 1에서 얻어진, 더미 바 본체(4a)의 상면에 잉곳 보텀 부위의 실리콘(5)이 결합하고 있는 더미 바(4)의 몰드 벽에 대향하는 면(도면 중에 부호 S를 붙인 파선을 따르는 면, 즉, 실리콘(5)의 측면 및 오목부 형성 부재(4b)의 측면)을 그라인딩 처리한다(공정 2: 주기의 절제). 전자기 주조법에서는 용융 실리콘과 몰드를 거의 접촉시키지 않고 주조를 행할 수 있지만, 초기 용해시에는 접촉하는 경우도 있기 때문에, 그 영향을 제외하기 위해서이다.
이어서, 산에 의해 세정하고(공정 3: 세정), 건조 처리를 행한다(공정 4: 건조). 세정은 실리콘(5) 및 오목부 형성 부재(4b)의 표면을 청정하게 하기 위해서이며, 질산과 불산의 혼합산(10)을 이용하면 좋다. 건조는, 세정에 부수하는 처리이며, 더미 바 본체(4a), 오목부 형성 부재(4b) 및 실리콘(5)으로 이루어지는 더미 바의 표면을 청정하게 유지할 수 있는 건조기를 사용하여 충분히 건조시킨다.
이상 설명한 본 발명의 실시 형태, 나아가서는 본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법에서 사용한 더미 바는, 잉곳과 결합한 카본 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써, 더미 바 본체의 상면에 실리콘이 결합된 더미 바로서, 이후의 새로운 실리콘 잉곳의 주조에 재이용할 수 있다.
본 발명의 특히 실시 형태에 따른 다결정 실리콘의 제조 방법의 특징은, 실리콘 원료를 초기 용해할 때의 더미 바로서, 잉곳 보텀부를, 카본 더미 바를 떼어내지 않고 그대로 사용하는 것에 있다. 이에 따라, 초기 용해시에 있어서의 초기 원료와 질화 규소의 접촉을 없애 잉곳 톱부에서의 이물 발생의 억제에 의한 수율의 개선, 카본 더미 바의 떼어냄에 수반하는 더미 바의 파손의 회피와 그에 따른 제조 비용의 삭감, 종래 폐기하고 있었던 잉곳의 보텀 부위의 재이용 등, 많은 점에서의 개선이 가능해진다.
(실시예)
상기 도면 2에 나타낸 순서로 가공을 행하여 얻어진, 더미 바 본체의 상면에 잉곳 보텀 부위의 실리콘이 결합된 더미 바를 사용하는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 다결정 실리콘의 제조 방법(이하, 여기에서는 「본 발명의 제조 방법」이라고 함)을, 단면이 345㎜×505㎜, 길이 7m의 실리콘 잉곳의 제조에 적용했다.
초기 용해시에 있어서의 더미 바의 배치 상황은 상기 도면 1에 나타낸 대로이며, 초기 용해 조건은 플라즈마를 이용하는 종래의 제조 방법과 동(同) 조건으로 했다. 그 결과, 초기 용해 공정을 문제 없이 진행할 수 있으며, 상기 소정 치수의 잉곳을 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
잉곳 톱부에 발생하는 이물 발생 영역은, 톱부 위쪽 모서리 위치로부터 300㎜ 이하로, 종래의 더미 바를 이용한 경우의 500?600㎜와 비교하면, 큰 폭으로 개선되었다. 이에 따라, 잉곳 제조 수율의 대폭적인 개선을 기대할 수 있다.
도 3은, 본 발명의 제조 방법을 적용한 경우의 이물 발생 영역의 축소의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다. 응고의 진행에 수반하여 용융 실리콘에 이물이 농축되기 때문에, 응고 종료 후, 그 이물이 잉곳(8)의 톱부 근방에 농축되어 이물 발생 영역이 된다. 종래의 제조 방법을 사용한 경우는, 이물 농축 영역(11a)이 톱부 위쪽 모서리 위치로부터 하방으로 깊게 인입하지만, 본 발명의 제조 방법을 적용한 경우는, 이물 농축 영역(11b)의 하방으로의 인입이 얕아져(도 중에 흰색 화살표로 표시), 이물 발생 영역이 축소된다.
또한, 이물을 분석한 결과, C, Si뿐이었다. 즉, 발생하는 이물은 C의 석출물뿐이며, 질화 규소의 혼입은 볼 수 없게 되었다. 또한, 이물의 분석은, EDX 분석(X선 분광법)을 이용하여 행했다.
표 1에, 본 발명의 제조 방법을 적용한 경우의 효과를 종래의 제조 방법에 의한 경우와 비교하여 나타낸다.
종래예 본 발명예

이물 발생
영역
잉곳 톱부 위쪽 모서리 위치로부터 500?600㎜의 영역
잉곳 톱부 위쪽 모서리 위치로부터 300㎜ 이하의 영역

이물의 주성분
N, C, Si
C, Si(N은 검출되지 않음)

수율
-
종래예에 대하여 4％ 이상 개선
표 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제조 방법을 적용한 경우의 이물 발생 영역의 축소에 의한 잉곳 제조 수율의 개선 폭은 4％ 이상이었다. 또한, 발생하는 이물의 종류가 C, Si계 이물뿐이었기 때문에, 웨이퍼 품질을 큰 폭으로 개선할 수 있다.
본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법(본 발명의 실시 형태를 포함함)에 의하면, 잉곳 톱부에서의 이물의 발생을 억제하여, 수율을 개선할 수 있고, 또한, 원료 비용의 삭감이나 실리콘 폐기재의 폐기량 삭감 등에도 기여할 수 있다. 따라서, 본 발명은, 태양전지의 제조 분야에 있어서 유효하게 이용할 수 있어, 자연 에너지 이용 기술의 진전에 크게 기여할 수 있다.
1 : 유도 코일
2 : 몰드
3 : 지지대
4 : 더미 바
4a : 더미 바 본체
4b : 오목부 형성 부재
5 : 실리콘
6 : 정상 스크랩
7 : 리사이클재
8 : 잉곳
9 : 초기 원료(고체 실리콘 원료)
10 : 혼합산
11a : 종래의 제조 방법을 적용한 경우의 이물 농축 영역
11b : 본 발명의 제조 방법을 적용한 경우의 이물 농축 영역

Claims (3)

  1. 유도 코일 내에, 축 방향의 일부가 둘레방향에서 복수로 분할된 도전성의 바닥이 없는 냉각 몰드를 설치하여, 당해 바닥이 없는 몰드 내에서 실리콘 원료를 전자기 유도에 의해 용해하고, 용융된 실리콘을 하방으로 인하 응고시키는 다결정 실리콘의 제조 방법에 있어서,
    바닥이 없는 몰드 내의 실리콘 원료를 초기 용해할 때에 당해 실리콘 원료를 지지하기 위한 더미 바로서, 더미 바 본체의 상면에 실리콘이 결합된 더미 바를 사용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 더미 바로서,
    더미 바 본체의 상면에, 용해된 실리콘 원료가 유입되고 그리고 그 실리콘이 응고된 후 상방으로 빠지지 않도록 실리콘 잉곳과 더미 바가 접촉하는 부위의 단면적을 정상(定常) 주조 부위의 실리콘 잉곳의 단면적보다 작게 한 오목부를 형성하는 오목부 형성 부재가 부착된 더미 바에 있어서,
    초기 용해시에 용해된 실리콘 원료가 당해 오목부에 유입되며, 주조 중에 상기 오목부에 유입된 실리콘이 응고되어 더미 바와 실리콘 잉곳이 결합하고, 주조 종료 후에, 잉곳과 결합한 더미 바의 당해 결합부보다도 위의 잉곳의 부분에서 절단함으로써 더미 바로부터 실리콘 잉곳을 분리하고,
    당해 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 사용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 잉곳을 분리한 더미 바를 사용할 때에,
    실리콘 잉곳을 분리한 후의 더미 바의 몰드 벽에 대향하는 면을 그라인딩(grinding) 처리하고,
    이어서, 산에 의한 세정 및 건조 처리를 시행하여 얻어진 더미 바를 사용하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
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