KR20120101046A - 실리콘 전자 주조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고품질의 실리콘 주괴를 간단하고 또한 확실하게 제조할 수 있는 실리콘 전자 주조 장치의 제공을 목적으로 한다. 노체 용기(100)와, 노체 용기(100)의 내부에 설치된 도전성의 도가니(200)와, 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300)을 구비한다. 노체 용기(100) 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하여, 유도 코일(300)에 전압을 부하함으로써 도가니 내의 200실리콘을 유도 발열시켜 용해한 후에 응고시킨다. 유도 코일(300)은 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일(310, 320)이 상하에 배치되어 이루어진다.

Description

실리콘 전자 주조 장치{ELECTROMAGNETIC CASTING APPARATUS FOR SILICON}

본 발명은 주로 태양 전지용 실리콘 기판을 위한 실리콘 주괴를 제조하는 실리콘 전자(電磁) 주조 장치에 관한 것이다.

지구규모적인 환경 문제를 개선하기 위한 하나의 방법으로서 태양 전지의 보급이 진행되어 왔다. 제조되는 태양 전지는 자원량이 풍부하고 광전 변환 효율이 높은 점에서 실리콘 결정을 사용하는 것이 대부분이지만, 그 중에서도 전자 주조에 의해 제조된 다결정 실리콘 기판을 사용하는 태양 전지의 생산이 증가하고 있다.

이 실리콘의 전자 주조는 도 5에 나타내는 바와 같이 노체 용기(100) 내에 있어서, 내부를 냉각수로 순환한 구리제의 도가니(200)와, 그 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300')에 의해, 실리콘 덩어리(S)를 도가니(200) 내에서 전자력에 의해 부유 용해하여, 실리콘 덩어리(S)를 하방으로 연속적으로 끌어내리면서 응고시킴으로써 실리콘 주괴를 제조한다.

이것에 의하면 수냉각된 도가니(200)의 내부에서 실리콘 덩어리(S)를 전자력에 의해 부유 용해하기 때문에, 용해 실리콘(S')은 도가니(200)의 내면과 접촉하지 않아, 용해 실리콘(S')에 대한 도가니(200)로부터의 불순물 오염을 없앨 수 있다. 또, 실리콘 덩어리(S)를 용해하기 위해서 사용하는 도가니(200)도 용해 실리콘(S')과 접촉하지 않기 때문에 손상되지 않아, 항구적인 도가니(200)로서 사용할 수 있다.

이렇게 하여, 상기한 실리콘 전자 주조는 장대한 길이의 실리콘 주괴를 연속적으로 제조하는 것에 의한 고생산성, 안정적 또한 정상적인 주조 조건에 기인하는 실리콘 주괴의 고품질성 및 균질성에 의해, 공업적인 생산법의 하나가 되었다.

그러나, 이 전자 주조에는 다음과 같은 결점이 표면화되었다. 즉, 생산성을 높이기 위해서 실리콘 덩어리(S)를 크게 폭이 넓게 하면, 유도 용해하는 실리콘량이 증대하여 용해에 필요한 전력 투입량이 증대한다. 동시에, 구리제의 도가니(200)의 폭넓이가 커져, 유도 코일(300')의 폭넓이도 커진다. 이 결과, 유도 코일(300')에 부하하는 전력량이 증대하여, 동일한 유도 주파수를 유지한 경우에는, 증가한 필요 전력량을 공급하기 위해서는 유도 코일(300')의 단자 전압이 증대한다.

예를 들면, 20cm의 폭넓이를 가지는 실리콘 덩어리(S)를 유도 코일(300')의 감기수를 2턴으로 하여 35kHz의 유도 주파수를 유지하여 유도 용해하는 경우에는, 유도 전원 출력이 약250kW 필요하게 되고, 유도 코일(300')의 단자 전압이 약550V가 된다. 그러나, 35cm의 폭넓이를 가지는 실리콘 덩어리(S)를 유도 코일(300')의 감기수를 2턴으로 하여 마찬가지로 35kHz의 유도 주파수를 유지하여 유도 용해하는 경우에는, 유도 전원 출력이 450kW 필요하게 되고, 유도 코일(300') 단자 전압이 약1000V가 된다.

여기서, 문제가 발생하는 것이 판명되었다. 즉, 실리콘 전자 주조로 용해한 용해 실리콘(S')의 산화를 방지하기 위해서 노체 용기(100) 내를 1기압의 불활성 가스로 채우고 있다. 불활성 가스로서 이용 가능한 것은 아르곤, 헬륨 등이지만, 통상적으로는 경제적인 이유로 아르곤 가스가 사용된다. 그러나, 아르곤 가스는 이온화 전압이 낮기 때문에 아르곤 가스로 채운 노체 용기(100) 내의 마주한 도전체 사이에 전압이 부하되면, 그 도전체 사이에 아크 방전이 용이하게 발생한다. 통상적으로 유도 용해의 공업적 장치에 있어서는 1기압하의 아르곤 분위기에서는 근접하여 마주한 도전체 사이에 600V 이상의 전압을 부하시켰을 때에 아크 방전이 발생한다. 도전체 사이의 전압이 높아져 강한 아크 방전이 발생하게 되면, 방전하고 있는 도전체의 표면이 용해, 또한 증발하게 된다.

일반적으로, 전자 주조로 유도 출력을 증대하는 경우에는, 유도 코일(300')의 단자 전압을 높게 함으로써 전류를 증가시켜 출력을 증대시킨다. 유도 코일(300')에 부하되는 단자 전압은 유도 코일(300')에 전류를 발생시켜 전자 유도에 의해 유도 코일(300') 내에 있는 냉각된 도가니(200)의 표면층에 전압을 야기하여 전류를 발생시키고, 또한 구리 도가니(200)에 발생하는 전류는 전자 유도에 의해 구리 도가니(200) 중에 있는 실리콘 덩어리(S)의 표면층에 전압을 발생시킨다.

이렇게 하여, 상기한 35cm의 폭넓이의 실리콘 주괴를 제조하고자 한 경우에는 유도 코일(300')의 단자 전압이 높아지고, 전자 유도에 의해 발생하는 도가니(200) 및 용해 실리콘(S')의 표면층의 전압이 높아져, 도 6에 나타내는 바와 같이 마주한 도가니(200)의 표면층과 용해 실리콘(S') 표면층 사이에서 아크 방전(A)이 발생했다. 아크 방전(A)이 발생한 수냉된 도가니(200)의 표면은 아크 방전(A)의 열에 의해 용해, 증발하여 깊은 홈이 만들어지고, 시간의 경과와 함께 침식이 커졌다.

아크 방전(A)에 의해 도가니(200)의 표면이 용해, 증발하면, 도가니(200)의 구리가 용해 실리콘(S')에 들어가고, 주조 후의 실리콘 주괴의 순도가 현저하게 저하되어 반도체 성능의 소수 캐리어의 확산 길이를 저하시킨다. 실리콘 주괴의 소수 캐리어의 저하는 태양 전지의 광전 변환 효율을 저하시킨다.

또, 도가니(200)도 아크 방전(A)에 의해 표면의 침식이 커지면, 평탄한 표면에 크게 깊은 홈이 발생하게 되고, 표면의 미소 영역에서는 평상적인 전자기적인 작용이 저해되어 전자 주조의 용해, 응고 조작에 이상을 초래하게 되었다. 그리고, 이 문제의 발생에 의해, 자주 정상적인 주조 동작이 중단되게 되었다.

본 발명은 상기 서술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 고품질의 실리콘 주괴를 간단하고 또한 확실하게 제조할 수 있는 실리콘 전자 주조 장치의 제공을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 노체 용기와, 노체 용기의 내부에 설치된 도전성의 도가니와, 이 도가니의 외주에 설치된 유도 코일을 구비하고, 상기 노체 용기 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하여, 상기 유도 코일에 전압을 부하함으로써 상기 도가니 내의 실리콘을 유도 발열시켜 용해한 후에 응고시키는 실리콘 전자(電磁) 주조 장치에 있어서, 상기 유도 코일은 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일이 상하에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이것에 의하면 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일을 사용하기 때문에, 각 유도 코일에 부하되는 유도 주파수 및 유도 출력의 선정의 조합에 의해, 각 유도 주파수에 있어서의 유도 코일의 단자 전압을 소정 전압 이하(예를 들면, 900V 이하, 바람직하게는 600V 이하)로 하면서, 각 유도 코일의 합계 출력으로서 큰 유도 출력을 얻을 수 있다.

또, 상기 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일 중, 하측에 배치된 유도 코일은 고주파의 유도 주파수를 가지는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 유도 주파수의 선정에 있어서, 고품질 실리콘 주괴의 제조에 필요한 조건, 즉, 용해 실리콘의 교반의 억제와 고체 주괴의 발열 효과에 필요한 고주파수의 유도 출력을 하측의 유도 코일의 유도 주파수로서 선정하고, 다른 상측의 유도 코일에 대해서는, 이 유도 코일의 위치가 응고 계면으로부터 멀어, 유도 주파수의 효과가 응고 계면에는 파급되기 어려워지기 때문에, 도가니 내에 있어서의 아크 방전의 발생을 억제하면서, 각 유도 코일의 합계 출력을 효율적으로 증가시킬 수 있다.

또, 상기 하측에 배치된 유도 코일의 유도 주파수는 25~30kHz 이상인 것이 바람직하다. 이것에 의하면 하측의 고주파의 유도 코일에 있어서, 용해 실리콘의 교반의 억제와 고체 주괴의 발열 효과에 필요한 고주파수의 유도 출력을 효율적으로 증가시킬 수 있다.

또, 상기 복수의 상이한 유도 주파수의 각 유도 코일 사이에 자기 차폐판이 설치되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 각 유도 코일 사이에 있어서 불필요한 전자 작용을 방지할 수 있다.

또, 각 유도 코일은 부하되는 단자 전압이 900V 이하인 것이 좋다. 이것에 의하면 유도 효율의 관계로부터 용해 실리콘 표면층의 전압을 600V 이하로 할 수 있다.

또, 각 유도 코일은 부하되는 단자 전압이 600V 이하이면 더욱 좋다. 이것에 의하면 용해 실리콘 표면층의 전압을 확실하게 600V 이하로 할 수 있다.

또, 상기 도가니의 상방에 플라즈마 토치가 설치되고, 이 플라즈마 토치에 의해 도가니 내의 용해한 실리콘에 플라즈마 제트 가열을 부가하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면 도가니 내의 실리콘 덩어리에 대하여 용해시키기 위한 용해열을 효율적으로 공급할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일을 사용하기 때문에, 각 유도 코일에 부하되는 유도 주파수 및 유도 출력의 선정의 조합에 의해, 각 유도 주파수에 있어서의 유도 코일의 단자 전압을 소정 전압 이하(예를 들면, 900V 이하, 바람직하게는 600V 이하)로 하면서, 각 유도 코일의 합계 출력으로서 큰 유도 출력을 얻을 수 있다. 이 때문에 고품질이며 나아가서는 폭이 넓은 실리콘 주괴를 간단하고 또한 확실하게 제조하는 것이 가능해진다.

도 1은 제1 실시형태에 따른 본 장치의 구성 개략도이다.
도 2는 본 장치의 주요부 확대도이다.
도 3은 본 장치의 도 2에 있어서의 III-III선 단면도이다.
도 4는 제2 실시형태에 따른 본 장치의 주요부 확대도이다.
도 5는 종래의 장치의 구성 개략도이다.
도 6은 종래의 장치에 있어서의 아크 방전의 상태를 나타내는 도면이다.

[실시형태 1]

다음에 본 발명의 제1 실시형태에 대해서 도 1~도 3을 참조하면서 설명한다.

<전체 구성>

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 실리콘 전자 주조 장치(이하, 본 장치(1)라고 함)의 구성 개략도, 도 2는 본 장치(1)의 주요부 확대도, 도 3은 본 장치의 도 2에 있어서의 III-III선 단면도이다.

본 장치(11)는 노체 용기(100)와, 노체 용기(100)의 내부에 설치된 도가니(200)와, 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300)과, 실리콘 덩어리(S)를 탑재하는 흑연대(400)와, 흑연대(400)를 상하로 이동시키는 상하동 장치(500)와, 용해 실리콘(S')의 응고를 제어하는 온도 제어로(600)와, 도가니(200)의 상방에 설치된 원료 공급기(700)를 구비하여 이루어진다. 이들 각 부재에 대해서는, 유도 코일(300)을 제외하고, 종래의 장치와 마찬가지의 구성의 것이다.

또한, 실리콘에 대해서는, 가열 전의 상태를 실리콘 덩어리(S), 가열 후의 용해한 상태를 용해 실리콘(S'), 냉각 후의 응고한 상태를 실리콘 주괴라고 하는 것으로 한다.

<노체 용기의 구성>

상기 노체 용기(100)는 상기 도가니(200)나 유도 코일(300) 등을 덮는 태양으로 설치된 밀폐 용기이다.

이 노체 용기(100)의 상부에는 송입구(送入口)(110)가 형성됨과 아울러, 하부에는 배기구(120)가 형성되어 있다. 주조시에는 노체 용기(100) 내를 진공 펌프(도시하지 않음)에 의해 0.1Torr까지 감압한 후, 송입구(110)로부터 소정의 기체(예를 들면, 아르곤 가스)를 대기압까지 송입하도록 되어 있다.

또, 노체 용기(100)의 바닥벽(130)에는 삽입통과 구멍(130a)이 뚫려, 상기 상하동 장치(500)가 삽입통과되어 있다. 이 삽입통과 구멍(130a)은 노체 용기(100)를 밀폐 용기로 하기 위해서 고무 등으로 이루어지는 시일링 부재(140)가 설치되는 것이 좋다.

<도가니의 구성>

상기 도가니(200)는 구리제로 이루어지고, 내부를 냉각수가 순환하여 도가니(200)를 냉각하도록 되어 있다.

이 도가니(200)는 도 3에 나타내는 바와 같이 둘레 방향으로 전기적으로 절연하기 위해, 복수의 세그먼트로 둘레 방향으로 분할되어 있다. 또, 각 도가니(200)의 세그먼트 사이에는 운모 등의 전기적 절연재가 삽입되는 것이 좋다.

<유도 코일의 구성>

상기 유도 코일(300)은 전압이 부하됨으로써, 상기 도가니(200) 내의 실리콘 덩어리(S)를 유도 발열시켜 용해시키는 것이다.

이 유도 코일(300)은 2개의 상이한 유도 주파수의 유도 코일(310, 320)이 상하에 배치되어 이루어진다.

또, 상기 2개의 상이한 유도 주파수의 각 유도 코일(310, 320) 사이에는 서로의 자기 작용을 차단하기 위한 자기 차폐판(330)이 설치되어 있다.

또, 각 유도 코일(310, 320)에 부하하는 단자 전압을 바람직하게는 900V 이하, 더욱 바람직하게는 600V 이하로 하는 것이 좋다. 이것은 이하의 이유에 따른 것이다.

일반적으로 수냉된 구리제의 도가니(200)를 사용하는 당해 전자 주조법에서는, 유도 코일(310, 320)에 입력된 전력은 도가니(200)를 매체로 하여 도가니(200) 중에서 용해하는 용해 실리콘(S')에 60~65퍼센트의 전력의 비율로 전달된다. 즉, 유도 효율이 60~65퍼센트가 된다. 따라서, 유도 코일의(310, 320)의 단자에 900V의 전압이 부하되었을 때에는, 용해 실리콘(S')의 표면층의 전압은 비례적으로 600V 정도로 강하한다. 상기한 바와 같이, 통상적으로 전자 주조 장치에 있어서는 1기압하의 아르곤 분위기에서는 근접하여 마주한 도전체 사이에 600V 이상의 전압을 부하시켰을 때에 아크 방전이 발생한다. 따라서, 유도 용해시에 완전히 아크 방전을 억제하는 유도 코일의 단자 전압은 600V 이하가 바람직하지만, 대면하는 구리 도가니(200)면과 용해 실리콘(S')의 표면층 사이의 아크 방전을 방지하기 위해서는 코일 단자 전압이 900V여도 된다.

또, 하방측의 유도 코일(320)은 고주파의 유도 주파수를 가지는 것이 좋다. 그리고, 이 고주파의 유도 주파수는 25~30kHz 이상인 것이 바람직하다. 이것은 이하의 이유에 따른 것이다.

일반적으로 전자 유도에 의한 용해 실리콘(S')의 가열에 있어서는, 용해 실리콘(S')의 표면층의 자장 침투 깊이에 상당하는 영역에서, 자속 밀도와 전류 밀도의 관계에 의해 용해 실리콘(S')을 내측으로 미는 힘이 발생하고, 이 힘에 의해 용해 실리콘(S')이 부유 용해됨과 동시에 용해 실리콘(S')은 교반된다. 저주파수측에서는 상대적으로 용해 실리콘(S')을 교반하는 힘이 커져 용해 실리콘(S')의 충분한 교반이 얻어지고, 고주파수측에서는 교반 작용이 작아져 정적인 용해 상태가 유지된다.

또, 동시에 용해 실리콘(S')의 표면층의 자장 침투 깊이에 상당하는 영역에서는, 저주파수측에서는 전류가 흐르는 표면층 깊이가 커져 표면으로부터 깊이 방향으로 폭넓은 범위가 가열된다. 한편, 고주파수측에서는 전류가 흐르는 표면층 깊이가 작아져 표면층에서는 가열되는 범위가 좁아진다. 따라서, 동일한 유도 가열량을 인가한 경우에는, 저주파수측의 표면층의 폭넓은 가열 영역에서는 단위체적당 가열 강도는 상대적으로 작고, 고주파수측에서는 표면층의 좁은 가열 영역에 있어서 단위체적당 가열 강도는 커진다. 즉, 고주파수를 선정함으로써 표면층에서 강가열이 행해진다.

또, 유도 코일의 유도 주파수의 선정에 있어서는, 특히 25~30kHz의 유도 주파수를 경계로 하여, 저주파수측에서는 용해 실리콘(S')의 교반이 강해지고, 용해 실리콘(S')의 대류열이동이 촉진되어 응고 계면에 열이 이동하기 때문에, 응고 계면이 하방으로 확장하여 깊은 응고 계면이 형성된다. 깊은 응고 계면을 형성하면서 실리콘 응고가 정상적으로 진행하면, 응고한 실리콘 주괴 내부에서는 주괴 표면층과 주괴 내부에서 온도차가 생겨 주괴 내부에 내부 응력이 발생한다.

또, 저주파수측에서는 주괴 표면층의 가열 강도가 약하기 때문에, 주괴 표면층의 온도를 유지하기 위해서는 불충분하게 되어 주괴 표면층의 온도를 용이하게 저하시키고, 주괴 표면층과 주괴 내부의 온도차를 크게 하는 방향으로 작용한다. 즉, 저주파수측에 있어서는, 용해 실리콘(S')에 대한 강한 교반 작용 및 응고한 고체 주괴의 표면층에 있어서의 약한 가열 강도가 원인이 되어 응고 계면이 깊어진다. 하방으로 크게 확장한 응고 계면은 응고 실리콘 주괴 중의 내부 응력을 크게 하여 결정 결함을 발생시키고, 그 결과로서 소수 캐리어의 확산 길이를 작게 하여 다결정 실리콘의 반도체로서의 품질을 저하시켰다.

한편, 25~30kHz 이상의 높은 주파수측에서는, 용해 실리콘(S')에 대한 교반력이 약하여 정적인 용해 실리콘(S')이 유지되고, 응고 계면으로의 대류열이동이 적어져, 응고 계면이 하방으로 확장하기 어려워, 얕은 응고 계면이 형성되었다. 동시에, 응고한 실리콘의 주괴 표면층은 높은 주파수에 의해 가열 강도가 높기 때문에 표면층의 온도 저하가 작아져, 주괴 내부에서는 주괴 표면과 주괴 내부의 온도차가 작아진다. 이렇게 하여, 고주파수측에서의 실리콘 주괴의 응고에서는 응고 계면을 하방으로 크게 확장시키지 않고 얕은 응고 계면을 형성하여, 주괴의 표면층과 내부의 온도차를 작게 하여 주괴 중의 내부 응력의 발생을 작게 했다. 이 결과, 주괴 중에는 결정 결함이 생기기 어려워져, 다결정 실리콘 반도체의 소수 캐리어의 확산 길이를 크게 하여 태양 전지의 성능을 높일 수 있었다.

이와 같이, 실리콘 전자 주조에 있어서는, 실리콘 주괴의 폭넓이를 크게 하여 생산성을 향상시키기 위해서는 유도 출력의 증대가 필요하며, 특히 하방측의 유도 코일을 고주파의 유도 주파수로 하는 것이 바람직하고, 또한 태양 전지를 위한 반도체의 품질을 보다 높이기 위해서는 유도 주파수를 25~30kHz 이상으로 하는 것이 바람직한 것이다.

<그 밖의 부재의 구성>

상기 온도 제어로(600)는 용해 실리콘(S')을 천천히 냉각하여 응고시키기 위한 것이다. 일반적으로, 상방으로부터 하방을 향하여 소정의 온도 구배를 유지하고 있고, 최종적으로는 용해 실리콘(S')을 소정 온도까지 천천히 냉각하도록 되어 있다.

상기 흑연대(400)는 흑연으로 이루어지는 시트이다. 주조시에는 상하동 장치(500)에 의해 하측의 유도 코일의 높이까지 배치된 후, 장입(裝入)된 실리콘 덩어리(S)가 대 상에 탑재된다. 그리고, 노체 용기(100) 내를 중심선을 따라 하강함으로써, 용해 실리콘(S')을 하강시키면서 응고시키도록 되어 있다.

상기 상하동 장치(500)는 상기 흑연대(400)를 노체 용기(100)의 중심선을 따라 상하로 이동시키는 것이다. 이 상하의 이동에 대해서는, 별도로 설치된 구동 장치(도시하지 않음)에 의해 주조 조건에 따라서 상하로 적당히 이동하도록 되어 있다.

상기 원료 공급 용기(700)는 원료가 되는 실리콘 덩어리(S)나 흑연 덩어리를 상방으로부터 도가니(200) 내에 장입하는 것이다. 우선은 소정 중량의 실리콘 덩어리(S)를 장입한 후, 그 상면에 흑연 덩어리를 장입한다. 이 흑연 덩어리는 실리콘의 발열을 보조하는 것이며, 유도 코일을 통전하면, 우선 흑연 덩어리가 발열하여 승온한 후, 하방의 실리콘 덩어리(S)가 흑연의 복사열에 의해 발열하여 승온한다. 실리콘 덩어리(S)가 소정 온도 이상이 되면 실리콘 덩어리(S)의 전기 저항값이 내려가고, 실리콘 덩어리(S) 중의 유도 전류가 증가하여 자기 발열을 개시한다. 실리콘 덩어리(S)가 자기 발열을 개시함과 동시에, 상방의 흑연 덩어리는 도가니(200)로부터 상방으로 뽑혀나온다.

또한, 본 실시형태에서는, 유도 코일(300)을 상하 2개의 유도 코일(310, 320)로 구성했지만, 3개 이상의 유도 코일로 구성해도 된다.

[실시형태 2]

다음에 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 도 4를 참조하면서 설명한다.

도 4는 본 실시형태에 따른 본 장치(1)의 주요부 확대도이다.

본 실시형태에서는, 노체 용기(100) 내로서, 또한 도가니(200)의 상방에 플라즈마 토치(800)가 설치되어 있다.

이 플라즈마 토치(800)는 주조시에 있어서 실리콘의 발열을 가속시키는 것이다. 그리고, 예를 들면 직경이 10cm의 원통형상으로 형성되고, 내부의 부극 전극 및 토치 전체를 수냉각하고, 상하 방향 및 수평 방향의 운동이 가능하다.

주조시에는 플라즈마 토치(800)를 그 선단이 실리콘 덩어리(S)에 접근하도록 하강시키고, 아르곤 등의 소정의 기체를 플라즈마 토치(800)에 유입시켜 직류 플라즈마를 플라즈마 토치(800)의 음극과 용해 실리콘(S')의 양극 사이에 점화한다. 그 후, 유도 코일(310, 320)과 함께 서서히 투입 전력을 증가하여, 실리콘의 가열을 가속시킬 수 있다.

또한, 그 밖의 부재에 대해서는, 제1 실시형태(도 1~도 3)에 나타내는 것과 동일하므로, 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

(실시예 1)

종방향으로 전기적으로 절연 분할되고, 또한 내부를 냉각수로 순환한 도전성의 도가니(200)와 이 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300)에 의해 실리콘 덩어리(S)를 용해한 후, 하방으로 끌어내리면서 응고시키는 본 장치(1)로서, 상이한 유도 주파수를 가지는 2개의 유도 코일(310, 320)을 사용하는 본 장치(1)에 있어서, 실리콘 전자 주조의 실시예를 이하와 같이 행했다.

본 실시예에서는, 도 1에 나타내는 것과 마찬가지로 하여, 내압이 제어 가능한 노체 용기(100) 내에 도가니(200)와 이 도가니(200)를 둘러싸는 2개의 유도 코일(310, 320)을 상하에 설치하고, 또, 이 도가니(200)의 바로 아래에 실리콘 덩어리(S)의 응고시키는 온도를 제어하는 온도 제어로(600)를 설치하고, 또한 흑연대(400)를 상하로 이동시킬 수 있는 상하동 장치(500)를 설치하여, 실리콘 덩어리(S)를 연속적으로 끌어내리도록 했다.

또, 노체 용기(100)의 상방에는 실리콘 덩어리(S)나 흑연 덩어리 등을 공급하는 원료 공급기(700)를 설치했다. 이 흑연 덩어리는 실리콘 덩어리(S)의 초기 용해시에, 도가니(200) 내의 유도 코일(300)의 높이 레벨에 상방으로부터 장입하여 유도 발열시켜, 실리콘 덩어리(S)를 보조적으로 가열하기 위한 것이다.

또, 실리콘 덩어리(S)의 주조 방향에 대한 횡단면은 정사각형이며, 그 폭넓이 길이는 35cm이다. 따라서, 수평 방향의 횡단면이 정사각형인 도가니(200)의 내폭 직경을 35cm, 외폭 직경을 41.6cm로 하고, 도가니(200)를 종방향으로 전기적으로 절연하기 위한 분할수를 60으로 했다. 60으로 분할한 도가니(200)의 각 세그먼트의 길이는 70cm이며, 내부에 냉각수를 순환하도록 가공되고, 각 세그먼트 사이에는 전기적 절연재의 운모를 삽입했다. 도가니(200) 내의 냉각수는 합계로 매분 500리터의 유량으로 했다.

또, 2개의 유도 코일(310, 320)은 상하에 배열설치되고, 상방측의 유도 코일(310)은 정사각형의 2턴으로 내폭 직경이 42.6cm, 높이가 15cm이며, 최대 출력 350kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 10kHz로 설정했다. 또, 하방측의 유도 코일(320)은 상방측의 유도 코일(310)과 동일한 형상이지만, 최대 출력 150kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 35kHz로 설정했다. 병설한 2개의 유도 코일(310, 320)은 도가니(200)의 높이 방향의 중심에 설치되고, 상방측의 유도 코일(310)과 하방측의 유도 코일(320) 사이에는 두께 3mm의 구리제의 자기 차폐판(330)이 설치되고, 이 구리제 자기 차폐판(330)의 외주를 사관에 의해 수냉했다.

본 실시예의 조작 순서는 이하와 같다. 가장 먼저 끌어내림 방향에 대한 횡단면이 정사각형이며 폭넓이가 35cm의 흑연대(400)의 상면이 하방측의 유도 코일(320)의 하단 위치와 동일해지도록 상하동 장치(500)에 실어 도가니(200) 중에 하방으로부터 삽입하고, 흑연대(400)의 상면에 50kg의 실리콘 덩어리(S)를 장입했다. 장입한 실리콘 덩어리(S)의 상면으로부터 2cm 상방에는 끌어내림 방향에 대한 횡단면이 정사각형이며, 그 폭넓이가 30cm, 높이가 7cm의 흑연 덩어리를 도가니(200)의 상방으로부터 삽입했다.

그리고, 노체 용기(100) 내를 진공 펌프에 의해 0.1Torr까지 감압한 후에 아르곤 가스를 대기압까지 노체 용기(100) 내에 송입하고, 다음에 주파수 10kHz의 상방측의 유도 코일(310)에는 유도 출력을 인가하여 200kW가 될 때까지 순차 증가시켰다. 다음에 35kHz의 하방측의 유도 코일(320)에도 유도 출력을 인가하여 100kW까지 증가시켰다. 상기한 유도 출력에 있어서는, 상방측의 유도 코일(310)의 단자 전압은 170V, 하방측의 유도 코일(320)의 단자 전압은 280V였다.

이와 같이 2개의 유도 코일(310, 320)에 통전하면, 우선, 실리콘 덩어리(S)의 상방에 삽입된 흑연 덩어리가 유도 발열하여 승온하여 적색이 되고, 다음에 장입된 실리콘 덩어리(S)가 적색이 된 흑연 덩어리의 복사열에 의해 승온했다. 이 실리콘 덩어리(S)의 온도가 약500℃가 되면 실리콘 덩어리(S)의 전기 저항값이 내려가고, 실리콘 덩어리(S) 중의 유도 전류가 증가하여 자기 발열을 개시했다. 실리콘 덩어리(S)가 자기 발열을 개시함과 동시에, 상기 흑연 덩어리를 냉각 도가니(200)로부터 상방으로 뽑아냈다.

또한 유도 출력을 상방측의 유도 코일(310)에 대해서는 350kW까지, 하방측의 유도 코일(320)에 대해서는 150kW까지, 각각 증가시켜 실리콘의 용해를 가속시켰다. 자기 발열을 개시한 실리콘 덩어리(S)는 더욱 승온하여 잠시 후에 완전히 용해되었다. 용해 실리콘(S')이 도가니(200)의 내면벽과 대면하는 측면은 전자력을 받아 용해 실리콘(S')은 냉각 도가니(200)와 비접촉으로 이간했다. 상기한 증가한 유도 출력에 있어서의 각 유도 코일의 최대 단자 전압은 상방측의 유도 코일(310)에서는 280V, 하방측의 유도 코일(320)에서는 490V가 되었다.

초기에 장입한 실리콘이 완전히 용해하여 안정적으로 유지된 후, 도가니(200)의 바로 아래에 설치된 실리콘 주괴의 온도 제어로(600)를 승온하여 실리콘 주괴의 하강 방향으로 약35℃/cm의 온도 구배를 유지시켰다.

그리고, 1 내지 20mm로 정립된 실리콘 원료를 상방에 위치하는 원료 공급기(700)로부터 도가니(200) 중으로 연속적으로 장입하면서, 용해 실리콘(S')을 유지하고 있는 상하동 장치(500)를 하강시켜 주조를 개시했다. 상하동 장치(500)의 하강이 시작되고, 용해 실리콘(S')이 하방측의 유도 코일(320)의 하단의 위치보다 하강하면 용융 실리콘(S')이 받는 전자력이 감소하여 냉각되어 응고했다. 이 때, 응고한 실리콘 주괴의 표면층은 하방측의 유도 코일(320)에 거리적으로 가깝기 때문에 하방측의 유도 코일(320)로부터의 유도 작용을 받아 적열하고, 급냉각되지 않는다.

이렇게 하여, 연속적인 실리콘 원료의 공급과 연속적인 실리콘 덩어리(S)의 응고가 동시에 이루어진 연속 주조를 실시했다. 본 실시예에 있어서는 주조 속도를 매분 2.0mm로 행하고, 정상적인 주조시의 유도 전원 출력은 상방측의 유도 코일(310)에 있어서는 약260kW, 하방측의 유도 코일(320)에 있어서는 약80kW이며, 각 유도 코일(310, 320)의 단자 전압은 상방측의 유도 코일(310)에서는 약200V, 하방측의 유도 코일(320)에서는 약250V였다. 주조는 주괴의 전체 길이가 200cm가 되면 정지되었다.

상기한 순서로 주조한 주괴를 실온까지 냉각한 후에 주괴를 노 내에서 꺼내어, 도가니(200)의 내면을 조사했다. 그 결과, 아크 방전이 일어난 흔적은 전혀 보이지 않고, 도가니(200)의 내면은 도가니(200)를 제작했을 때와 마찬가지로 평탄한 형상이었다.

또한, 당해 실리콘 주괴로부터 태양 전지의 시작(試作)을 하기 위해서 태양 전지용 기판이 작성되어 태양 전지 성능이 시험되었다. 즉, 다이아몬드 절단기에 의해 15cm 정사각형의 단면이며 길이가 40cm의 실리콘 블록이 잘려나와, 이것을 와이어-쏘-슬라이스법에 의해 두께가 200미크론미터의 실리콘 다결정 기판으로 가공했다. 또한, 당해 실리콘 다결정 기판의 100장이 뽑혀나와, 이것이 태양 전지에 시작되었다. 태양 전지의 시작 공정에서는 수소 패시베이션 기술이 사용되고, 태양 전지 변환 효율의 평균값은 100장의 평균값으로 15.1%가 얻어졌다. 본 실시예에 의해, 본 발명에 의해 제작된 실리콘 주괴가 고품질의 태양 전지 기판을 제공할 수 있는 것이 확인되었다.

(실시예 2)

종방향으로 전기적으로 절연 분할되고, 또한 내부를 냉각수로 순환한 도전성의 도가니(200)와 이 도가니(200)의 외주에 설치된 유도 코일(300)에 의해 실리콘 덩어리(S)를 용해한 후, 하방으로 끌어내리면서 응고시키는 본 장치(1)로서, 상이한 유도 주파수를 가지는 2개의 유도 코일(310, 320)을 사용함과 아울러, 플라즈마 토치(800)가 설치된 본 장치(1)에 있어서, 실리콘 전자 주조의 실시예를 이하와 같이 행했다.

본 실시예에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이 내압이 제어 가능한 노체 용기(100) 내에 도가니(200)와 이 도가니(200)를 둘러싸는 2개의 유도 코일(310, 320)을 상하에 설치하고, 또, 이 도가니(200)의 바로 아래에 실리콘 덩어리(S)의 응고시키는 온도를 제어하는 온도 제어로(600)를 설치하고, 또한 흑연대(400)를 상하로 이동시킬 수 있는 상하동 장치(500)를 설치하여, 실리콘 덩어리(S)를 연속적으로 끌어내리도록 했다.

또, 노체 용기(100)의 상방에는 실리콘 덩어리(S)나 흑연 덩어리 등을 공급하는 원료 공급기(700)를 설치했다. 이 흑연 덩어리는 실리콘 덩어리(S)의 초기 용해시에, 도가니(200) 내의 유도 코일 높이 레벨에 상방으로부터 장입하여 유도 발열시켜, 실리콘 덩어리(S)를 보조적으로 가열하기 위한 것이다.

또, 플라즈마 토치(800)를 도가니(200)의 상방에 설치하고, 용해 실리콘(S')의 상방으로부터 플라즈마 제트 가열을 부가하는 것으로 했다.

또, 실리콘 덩어리(S)의 주조 방향에 대한 횡단면은 정사각형이며, 그 폭넓이 길이는 51cm이다. 따라서, 수평 방향의 횡단면이 정사각형인 도가니(200)의 내폭 직경을 51cm, 외폭 직경을 57cm로 하고, 도가니(200)를 종방향으로 전기적으로 절연하기 위한 분할수를 84로 했다. 84로 분할한 도가니(200)의 각 세그먼트의 길이는 80cm이며, 내부에 냉각수를 순환하도록 가공되고, 각 세그먼트 사이에는 전기적 절연재의 운모를 삽입했다. 도가니(200) 내의 냉각수는 합계로 매분 700리터의 유량으로 했다.

또, 2개의 유도 코일(310, 320)은 상하에 배열설치되고, 상방측의 유도 코일(310)은 정사각형의 2턴으로 내폭 직경이 58cm, 높이가 15cm이며, 최대 출력 550kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 10kHz로 설정했다. 또, 하방측의 유도 코일(320)은 상방측의 유도 코일(310)과 동일한 형상이지만, 최대 출력 200kW의 유도 전원에 접속되고, 유도 주파수를 35kHz로 설정했다. 병설한 2개의 유도 코일(310, 320)은 도가니(200)의 높이 방향의 중심에 설치되고, 상방측의 유도 코일(310)과 하방측의 유도 코일(320) 사이에는 두께 3mm의 구리제의 자기 차폐판(330)이 설치되고, 이 구리제 자기 차폐판(330)의 외주를 사관에 의해 수냉했다.

또, 용해 실리콘(S')의 상방으로부터 플라즈마 제트 가열을 부가하기 위해서, 용해 실리콘(S')을 양극으로 하는 플라즈마 토치(800)를 100kW의 직류 전원에 접속했다. 플라즈마 토치(800)는 직경이 10cm의 원통형상이며, 내부의 부극 전극 및 토치 전체를 수냉각하고, 플라즈마 토치(800)는 상하좌우로 이동 가능한 것으로 했다.

본 실시예의 조작 순서는 이하와 같다. 가장 먼저 끌어내림 방향에 대한 횡단면이 정사각형이며 폭넓이가 51cm의 흑연대(400)의 상면이 하방측의 유도 코일(320)의 하단 위치와 동일해지도록 상하동 장치(500)에 실어 도가니(200) 중에 하방으로부터 삽입하고, 흑연대(400)의 상면에 110kg의 실리콘 덩어리(S)를 장입했다.

다음에 플라즈마 토치(800)를 그 선단이 흑연대(400) 상의 실리콘 덩어리(S)에 접근하도록 하강시키고, 또한 아르곤을 플라즈마 토치에 매분 250리터 유입시켜 직류 플라즈마를 플라즈마 토치(800)의 음극과 실리콘 덩어리(S)의 양극 사이에 점화했다. 플라즈마의 점화를 확인한 후, 2개의 유도 코일(310, 320)에 전압을 부가하여 통전을 개시했다.

그리고, 플라즈마의 점화와 유도 코일의 전압의 부가를 개시하고 나서 서서히 투입 전력을 증가시켜 실리콘 덩어리(S)의 용해를 가속했다. 플라즈마 제트의 출력은 전류 7000암페어, 전압 125V까지 상승시키고, 상방측의 유도 코일(310)에는 유도 주파수 10kHz, 유도 출력 550kW, 코일 단자 전압 380V, 하방측의 유도 코일(320)에는 유도 주파수 35kHz, 유도 출력 200kW, 코일 단자 전압 560V가 최고로 부하되었다.

실리콘 덩어리(S)의 승온, 용해가 빨라지고, 잠시 후에 실리콘 덩어리(S)가 완전히 용해되었다. 또한 실리콘 원료를 원료 공급기(700)로부터 투입하여 용해 실리콘(S')의 양이 180kg이 될 때까지 투입을 계속했다. 플라즈마 제트(800)의 조사를 받고, 또한 도가니(200) 내에서 유도 용해된 용해 실리콘(S')의 용탕의 상태는 안정되어 있고, 용해 실리콘(S')이 도가니(200)의 내면벽과 대면하는 측면은 전자력을 받아 도가니(200)와 비접촉으로 이간했다.

실리콘 덩어리(S)의 초기 용해 작업이 종료되어 용해 실리콘(S')이 안정적으로 유지된 후, 도가니(200)의 바로 아래에 설치된 주괴의 온도 제어로(600)를 승온하여 실리콘 주괴의 하강 방향으로 약35℃/cm의 온도 구배를 유지시켰다.

그리고, 1 내지 20mm로 정립된 실리콘 원료를 상방에 위치하는 원료 공급기(700)로부터 도가니(200) 중으로 연속적으로 장입하면서, 용해 실리콘(S')을 유지하고 있는 상하동 장치(500)를 하강시켜 주조를 개시했다. 상하동 장치(500)의 하강이 시작되고, 용융 실리콘(S')이 하방측의 유도 코일(320)의 하단의 위치보다 하강하면 용융 실리콘(S')이 받는 전자력이 감소하여 냉각되어 응고했다. 이 때, 응고한 실리콘 주괴의 표면층은 하방측의 유도 코일(320)에 거리적으로 가깝기 때문에 하방측의 유도 코일(320)로부터의 유도 작용을 받아 적열하여, 급냉각되지 않는다.

이렇게 하여, 연속적인 원료의 공급과 연속적인 주괴의 응고가 동시에 이루어진 연속 주조를 실시했다. 본 실시예에 있어서는 주조 속도를 매분 1.7mm로 행하고, 정상적인 주조시의 유도 전원 출력은 플라즈마 제트 출력 약80KW, 상방측의 유도 코일(310)의 출력은 약350kW, 하방측의 유도 코일(320)의 출력은 약150kW이며, 각 유도 코일(310, 320)의 단자 전압은 상방측의 유도 코일(310)에서는 약250V, 하방측의 유도 코일(320)에서는 약470V였다. 주조는 주괴의 전체 길이가 200cm가 되면 정지되었다.

상기한 순서로 주조한 주괴를 실온까지 냉각한 후, 도가니(200) 내를 조사했다. 그 결과, 아크 방전이 일어난 흔적은 전혀 보이지 않고 도가니(200)의 내면은 구리 도가니(200)를 제작했을 때와 마찬가지로 평탄한 형상이었다.

또한, 당해 실리콘 주괴로부터 태양 전지의 시작을 하기 위해서 태양 전지용 기판이 작성되어 태양 전지 성능이 시험되었다. 즉, 15cm 정사각형의 면적으로, 두께가 200미크론미터의 실리콘 다결정 기판이 주괴로부터 가공되고, 태양 전지에 시작되었다. 태양 전지의 시작은 뽑아낸 100장의 기판에 대해서 행해지고, 태양 전지 변환 효율의 평균값은 100장의 평균값으로 15.2%가 얻어졌다. 본 실시예에 의해서도, 본 발명에 의해 제조된 실리콘 주괴가 고품질의 태양 전지 기판을 제공할 수 있는 것이 확인되었다.

(산업상 이용 가능성)

본 발명은 태양 전지용 실리콘 기판을 위한 고품질의 실리콘 주괴를 제조하기 위해서, 실리콘 덩어리를 유도 발열에 의해 용해하여 실리콘 주괴를 제조하는 실리콘 전자 주조에 적용 가능하다.

1…본 장치 100…노체 용기
200…도가니 300…유도 코일
310…상방측의 유도 코일 320…하방측의 유도 코일
330…자기 차폐판 400…흑연대
500…상하동 장치 600…온도 제어로
700…원료 공급기

Claims (7)

1. 노체 용기와, 노체 용기의 내부에 설치된 도전성의 도가니와, 이 도가니의 외주에 설치된 유도 코일을 구비하고, 상기 노체 용기 내를 소정의 기체로 일정 압력으로 하여, 상기 유도 코일에 전압을 부하함으로써 상기 도가니 내의 실리콘을 유도 발열시켜 용해한 후에 응고시키는 실리콘 전자(電磁) 주조 장치에 있어서, 상기 유도 코일은 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일이 상하에 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 상이한 유도 주파수의 유도 코일 중, 하측에 배치된 유도 코일은 고주파의 유도 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 하측에 배치된 유도 코일의 유도 주파수는 25~30kHz 이상인 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 상이한 유도 주파수의 각 유도 코일 사이에 자기 차폐판이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 유도 코일은 부하되는 단자 전압이 900V 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 유도 코일은 부하되는 단자 전압이 600V 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 상방에 플라즈마 토치가 설치되고, 이 플라즈마 토치에 의해 도가니 내의 용해한 실리콘에 플라즈마 제트 가열을 부가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 전자 주조 장치.

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