KR20120059529A - 유도 방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법으로, 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니의 용융 챔버로 실리콘 원료를 충전하고, 용융 표면을 형성하고, 인덕터 피드의 출력 파라메터를 모니터하면서 용융하고, 제어 냉각 조건 하에서 다결정 실리콘 잉곳을 풀링(pulling)하는 단계를 포함하는 방법은 용융 과정에서, 인덕터의 상부 평면 아래에 하지만 인덕터의 높이의 1/3 보다 낮지 않게 용융 표면 위치를 제공하도록 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속(mass rate)과 잉곳을 풀링하는 속도를 설정하는 단계를 포함한다. 이렇게 해서 용융 표면 위치를, 인덕터 피드의 출력의 파라메터중 하나, 현저하게는 작동 주파수, 전압, 전류를 소정의 범위내에 유지함으로써 동일한 레벨에 유지한다. 본 방법은 태양 전지 제조에 적합한 다결정 실리콘 잉곳을 캐스팅하는 것이고, 높은 생산 효율과 낮은 특정 에너지 소비에 현저한 효과가 있다.
Description
본 발명은 다결정 실리콘, 특히 유도 방식에 의해 그리고 다결정 실리콘으로부터 태양 전지의 제조에 사용할 수 있는 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
결정 실리콘은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 태양 전지를 생산하기 위해 사용된다. 현재에, 통상적으로 다결정 실리콘으로서 불리는 대형 결정에 의해 형성된 다결정 실리콘의 생산에 많은 관심이 집중되고 있으며, 여기에, 단결정 실리콘에 가까운, 태양 에너지로부터 전기 에너지로의 변환 성능을 제공한다.
유도 방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법은 아래 서류, US Pat. No. 4,572,812 (Int. Cl. B29D 7/02, B22D 27/02 [I]), EP Pat. No. 1254861 (공개(일.월.년) 06.11.2002, (Int. Cl. COlB 33/02 [2]), EP Pat. No. 1754806 (공개(일.월.년) 21.02.2007, (Int. Cl. C30B 11/00 [3])에 개시되어 있으며, 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니의 용융 챔버로 실리콘 원료를 충전하고, 용융 표면을 형성하고 다결정 실리콘 잉곳을 용융해서 풀링(pulling)하는 단계로 이루어져 있다. 그러나, 이 방법에서는 용융 결정에 동일한 조건을 제공하는, 용융 조건과 잉곳 풀링 조건에 대해서 전혀 기재되어 있지 않다.
본 발명과 아주 가까운 유도 방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법은 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니의 용융 챔버로 실리콘 원료를 충전하고, 용융 표면을 형성하고, 인덕터 피드(inductor feed)의 출력 파라메터를 모니터하면서 용융하고, 제어 냉각 조건 하에서 다결정 실리콘 잉곳을 풀링(pulling)하는 단계를 포함한다(EP Pat. No. 1930483, Int. Cl. C30B 35/00, C30B 29/06, COlB 33/02,공개(일.월.년) 22.02.2007, [4]). 종래 방법에서, 용융을 인덕터 피드의 출력을 모니터함으로써 제어하며, 여기서 인버터의 측정 주파수를 미리설정한 주파수와 비교하고, 가열 수단 공급의 출력량을 동시에 모니터하며, 여기서, 잉곳 표면의 측정 온도를 잉곳 표면상의 미리설정한 온도와 비교한다.
그러나 이런 조건 하에서, 잉곳내의 실리콘의 결정화는 안정하지 못하며, 이는 종래 방법에서의 인덕터 피드의 출력의 일정한 변화가 잉곳 결정화의 속도의 일정한 변화를 야기하고 이로써 이의 품질에 나쁜 영향을 미친다.
또한, 종래 방법에 따라서, 용융물의 깊이의 증가는 인덕터 피드의 출력의 감소를 필요로 한다. 용융 표면을 상승함으로써의 용융물의 깊이가 증가하는 경우에, 작동 주파수는 증가되고 인덕터 피드의 출력은 감소된다. 한편, 이들 종속관계는 용융 결정화의 속도의 증가를 야기하고, 다른 한편으로는 충전 원료의 용융 속도의 감소를 야기해서, 원료로 용융 표면의 완전한 필링 업(complete filling up)을 가져오고 냉각 도가니의 벽에 원료가 단단하게 부착될 수 있다. 따라서, 잉곳의 풀링을 강제로 해서 도가니로 브릿지하는 원료를 멜트 다운(melt down)하지 못하게 막아야 하므로, 규칙적인 용융 방법이 망가지고, 용융의 속도가 늦어지고 생산 효율이 낮아진다.
본 발명은 유도 방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 방법을 개선하는 것을 목표로 하고, 제안된 방법으로 실리콘 결정화를 안정시키고, 잉곳 품질을 더 높이고 생산 효율을 증가시키는 것이다.
본 발명의 목적은 유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법을 제공함으로써 달성되며, 본 방법은 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니의 용융 챔버로 실리콘 원료를 충전하고, 용융 표면을 형성하고, 인덕터 피드의 출력 파라메터를 모니터하면서 용융하고, 제어 냉각 조건 하에서 다결정 실리콘 잉곳을 풀링(pulling)하는 단계를 포함하며, 용융 과정에서, 인덕터의 상부 평면 아래에 하지만 인덕터의 높이의 1/3 보다 낮지 않게 용융 표면 위치를 제공하고, 용융 표면을 동일한 레벨로 유지하도록, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속(mass rate)과 잉곳을 풀링하는 속도를 설정한다. 이렇게 해서 용융 표면 위치를, 인덕터 피드의 출력의 파라메터중 하나, 현저하게는 작동 주파수, 전압, 전류를 소정의 범위내에 유지함으로써 동일한 레벨에 유지한다.
유도 방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 캐스팅하는 경우에, 경험적으로 용융 표면 위치가 인덕터의 상부 평면 아래에 하지만 인덕터의 높이의 1/3 보다 낮지 않는 것이 용융의 최대 속도를 달성하고, 용융 표면의 위치가, 실리콘 원료의 충전의 질량 유속, 잉곳의 풀링의 속도 및 인덕터의 작동 주파수, 전압, 전류와 같은 인덕터 피드의 출력의 파라메터를 설정함으로써 한 레벨에 유지되는 것이 실리콘을 안정하게 결정화하는 것을 알 수 있다.
본
발명을 실시하기
위한 양호한
모드
원료를 용융하기 위해서, 열은 원료의 엔탈피로서 소비되고 용융열은 고상 및 액상의 인터페이스에서 흡수된다. 가열은 주로 액상, 즉 실리콘 용융물을 수반하기 때문에, 전자기 에너지 방출이 제한되며, 여기서 열은 용융 표면에 대해서 인덕터의 이러한 위치에서 흡수된다. 결국, 용융의 속도는 혼합되는 용융물에 의해서, 유도된 전류의 죤으로부터 실리콘 원료를 용융하는 죤까지의 과열 용융물에 의해서 증가되고, 용융은 안정되고 신속히 실리콘 결정화에 추가의 안정성을 제공한다. 그러므로 생산된 잉곳의 그레인 단면 크기는 웨이퍼 그레인 크기에 대한 태양 전지 제조자의 명세내용(specification)과 맞고, 그래서 생산된 잉곳은 태양 전지의 제조에 적합하다. 또한 잉곳 생산 효율은 강화되고, 특정 에너지 소비는 감소된다.
본 발명은 아래와 같이 작동한다.
챔버내에, 제어된 아르곤 분위기 하에서, 가동 바닥을 이동시켜 용융 챔버의 영역을 한정하고 실리콘 원료를 용융 챔버로 충전한다. 냉각 도가니를 둘러싸는 인덕터에 의해서 고주파 전자기장을 발생시킨다. 스타트업 히팅 장치(start-up heating device)로 열을 가해서, 실리콘 원료를 따뜻하게 하고 스타트업 히팅 장치로부터의 방사 열과 인덕터에 의해 발생된 전자기장 하에서 용융한다. 스타트업 히팅 장치를 전자기 장으로부터 제거하고, 이와 동시에 용융 챔버내에 용융 풀을 용융 챔버의 단면의 형태로 생산한다. 용융 풀의 주변을 따라서 열을 전이한 결과로, 용융물은 결정화되고 스컬(skull)을 형성하여 용융 챔버로부터 풀의 쏟아짐을 방지한다. 용융풀을 형성한 후, 실리콘 원료를 연속적으로 용융물의 표면에 공급한다. 용융 과정에서, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속 및 잉곳 풀링의 속도는 예를 들어 작동 주파수, 전압, 전류를 소정의 범위내에 유지함으로써, 인덕터의 상부 평면 아래에 하지만 인덕터의 높이의 1/3 보다 낮지 않게 용융 표면 위치를 제공하고, 용융 표면을 동일한 레벨로 유지시키도록 설정된다.
본 발명은 추가로 예에 의해서 설명된다.
예1
사각형 단면과 350mm의 측면 길이의 용융 챔버를 갖은 장치를 사용해서 인덕션 용융 기술에 의해서 다결정 실리콘 잇곳을 얻는다. 챔버내에, 제어된 아르곤 분위기 하에서, 가동 바닥을 이동시켜 인덕터 120mm 높이에 의해서 냉각 도가니의 용융 챔버를 영역을 한정한다. 럼프 실리콘 원료를 용융 챔버로 충전한다. 고주파 전자기장을 발생시킨다. 스타트업 히팅 장치(start-up heating device)를 용융 챔버로 삽입하고 럼프 실리콘 원료를 따뜻하게 하고 용융하고, 스타트업 히팅 장치를 전자기 장으로부터 제거하고, 용융 챔버내에 용융 풀을 용융 챔버의 단면의 형태로 생산한다. 용융풀의 주변을 따라서 용융물을 결정화하고 스컬(skull)을 형성한다. 15-20의 범위의 입자 크기의 실리콘 원료를 연속적으로 용융물의 표면에 공급한다. 인덕터 피드의 전력 파워를 300kW로 설정하고, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 분당 0.4kg으로 설정하고, 잉곳 풀링의 속도를 분당 1.5mm로 설정하고, 용융 표면의 위치를 인덕터의 상부 평면 아래의 25mm에 설정한다. 인덕터 피드의 작동 주파수는 16.7kHz이다. 용융 과정 동안, 용융 표면을 동일한 레벨로 유지하면서 인덕터 피드의 작동 주파수를 16.7 ±0.05kHz 범위로 유지한다. 주파수를, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 조정함으로써 상기 범위내에 유지하고 잉곳 풀링의 속도는 일정하게 된다. 용융 과정 동안, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 원료의 변수, 특히 입자 크기와 공급기 정확도의 우연한 변이(accidental variation)에 의존해서 분당 0.4-0.45 kg의 범위내로 조정한다. 잉곳이 성장할 때 열 스트레스를 완화하기 위해서, 어닐링 챔버내에서 어닐링하고 제어된 상태하에서 냉각한다. 인덕터 피드의 일정한 출력 파워와 잉솟 풀링의 일정한 속도에 의해서, 결정화 전면은 단일 레벨에서 안정가능하게 된다. 결국, 다실리콘 실린더 잉곳내의 결정 성장의 최적의 상태를 만든다. 또한 인덕터의 상부 평면 보다 25mm 낮은 용융 표면의 위치는 정해진 입자 크기의 원료로부터 생산된 잉곳 풀링의 최대 속도를 허용한다. 이는 인덕터와 용융 표면 영역의 전자기 커플링에 의해 달성된다. 어닐링 및 제어 냉각 다음으로, 다결정 실리콘 잉곳은 어닐링 챔버로부터 취출되어 블록으로 절단되며, 블록으로부터 태양 전지의 제조에 사용하기 위한 웨이퍼로 연속적으로 절단된다.
다결정 실리콘 잉곳의 생산 방법의 효율성은 시간당 25.7kg이다. 그러므로 생산된 잉곳의 그레인 단면 크기는 웨이퍼 그레인 크기에 적합한 태양 전지 제조자의 명세내용과 일치한다.
예2
예 1에 기술한 것과 유사한 인덕션 용융 기술에 의해서 다결정 실리콘 잇곳을 얻는다. 인덕터 피드의 출력 파워와 실리콘 원료의 입자 크기는 예1의 것과 유사하다. 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 분당 0.3kg으로 설정하고, 잉곳 풀링의 속도를 분당 1.2mm로 설정하고, 용융 표면의 위치를 인덕터의 상부 평면 아래의 5mm에 설정한다. 인덕터 피드의 작동 주파수는 16.9kHz이다. 용융 과정 동안, 용융 표면을 동일한 레벨로 유지하면서 인덕터 피드의 작동 주파수를 16.9 ±0.05kHz 범위로 유지한다. 주파수를, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 조정함으로써 상기 범위내에 유지하고 잉곳 풀링의 속도는 일정하게 된다. 용융 과정 동안, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 원료의 변수, 특히 입자 크기와 공급기 정확도의 우연한 변이(accidental variation)에 의존해서 분당 0.32-0.37 kg의 범위내로 조정한다.
다결정 실리콘 잉곳의 생산 방법의 효율성은 시간당 20.6kg이다. 그러므로 생산된 잉곳의 그레인 단면 크기는 웨이퍼 그레인 크기에 적합한 태양 전지 제조자의 명세내용과 일치한다.
예3
예 1에 기술한 것과 유사한 인덕션 용융 기술에 의해서 다결정 실리콘 잇곳을 얻는다. 인덕터 피드의 출력 파워와 실리콘 원료의 입자 크기는 예1의 것과 유사하다. 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 분당 0.4kg으로 설정하고, 잉곳 풀링의 속도를 분당 1.3mm로 설정하고, 용융 표면의 위치를 인덕터의 상부 평면 아래의 10mm에 설정한다. 인덕터 피드의 작동 전류는 4659 A이다. 용융 과정 동안, 용융 표면을 동일한 레벨로 유지하면서 인덕터 피드의 작동 전류를 4659 A± 5A 범위로 유지한다. 전류를, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 조정함으로써 상기 범위내에 유지하고 잉곳 풀링의 속도는 일정하게 된다. 용융 과정 동안, 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속을 원료의 변수, 특히 입자 크기와 공급기 정확도의 우연한 변이(accidental variation)에 의존해서 분당 0.35-0.40 kg의 범위내로 조정한다.
다결정 실리콘 잉곳의 생산 방법의 효율성은 시간당 22.3kg이다. 그러므로 생산된 잉곳의 그레인 단면 크기는 웨이퍼 그레인 크기에 적합한 태양 전지 제조자의 명세내용과 일치한다.
제안된 방법은 태양 전지 제조에 적합한, 다결정 실리콘 잉곳의 높은 생산량과 다결정 실리콘 잉곳의 캐스팅의 높은 품질을 보장한다.
Claims (2)
- 유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 방법으로, 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니의 용융 챔버로 실리콘 원료를 충전하고, 용융 표면을 형성하고, 인덕터 피드(inductor feed)의 출력 파라메터를 모니터하면서 용융하고, 제어 냉각 조건 하에서 다결정 실리콘 잉곳을 풀링(pulling)하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
용융 과정에서, 인덕터의 상부 평면 아래에 하지만 인덕터의 높이의 1/3 보다 낮지 않게 용융 표면 위치를 제공하도록 실리콘 원료를 충전하는 질량 유속(mass rate)과 잉곳을 풀링하는 속도를 설정하는 방법. - 제 1항에 있어서, 상기 용융 표면 위치를, 인덕터 피드의 출력의 파라메터중 하나, 현저하게는 작동 주파수, 전압, 전류를 소정의 범위내에 유지함으로써 동일한 레벨에 유지하는 방법.
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