KR20130019992A - 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법 - Google Patents

단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130019992A
KR20130019992A KR1020110082328A KR20110082328A KR20130019992A KR 20130019992 A KR20130019992 A KR 20130019992A KR 1020110082328 A KR1020110082328 A KR 1020110082328A KR 20110082328 A KR20110082328 A KR 20110082328A KR 20130019992 A KR20130019992 A KR 20130019992A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
single crystal
crucible
seed
crystal
Prior art date
Application number
KR1020110082328A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101271649B1 (ko
Inventor
김영조
윤원태
Original Assignee
주식회사 인솔텍
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 인솔텍 filed Critical 주식회사 인솔텍
Priority to KR1020110082328A priority Critical patent/KR101271649B1/ko
Publication of KR20130019992A publication Critical patent/KR20130019992A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101271649B1 publication Critical patent/KR101271649B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/14—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/06—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by normal freezing or freezing under temperature gradient
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B35/002—Crucibles or containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)

Abstract

본 발명은 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법으로서, 더욱 상세하게는 용융된 실리콘 원료에 단결정 실리콘 시드를 접촉시킨 후 방향성 응고가 유도되도록 냉각하여 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 사각형상의 도가니에 실리콘 원료를 충진하고 상기 도가니 주변의 히터로 상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용융체를 제조하는 실리콘 용융체 제조단계, 상기 실리콘 용융체의 상부 중앙에 단결정 실리콘 시드를 접촉시키는 단결정 실리콘 시드 접촉단계, 상기 도가니 주변의 히터와 상기 도가니 상부에 위치한 냉각부로 온도를 낮추며 조절하여 상기 실리콘 용융체의 상부 방향으로부터 하부 방향으로 응고를 유도하는 방향성 유도 응고단계, 상기 실리콘 용융체가 응고함에 따라 상기 실리콘 용융체의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘 결정부가 형성되고, 상기 실리콘 용융체의 측부와 하부에는 다결정 실리콘 결정부가 형성되면서 실리콘 결정부가 성장하는 실리콘 결정부 성장단계가 포함되어 이루어지고, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서 성장이 진행된 실리콘 결정부를 일정 높이만큼 들어올려 상기 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 상기 도가니의 파손을 방지하는 특징이 있다.

Description

단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF HIGH QUALITY MULTICRYSTALLINE SILICON INGOT USING MONOCRYSTALLINE SILICON SEED}
본 발명은 단결정 실리콘 시드(seed)를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법으로서, 더욱 상세하게는 용융된 실리콘 원료에 단결정 실리콘 시드를 접촉시킨 후 하부 방향으로 방향성 응고가 유도되도록 냉각하여 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳(mono like multicrystalline silicon ingot)을 제조하는 방법에 관한 것이다.
실리콘 잉곳은 태양전지에 사용되는 실리콘 웨이퍼를 만들기 위한 소재로서, 상기 태양전지의 가장 큰 목적은 저렴하면서도 높은 효율을 가진 태양전지를 제작하는 것이다. 높은 효율을 가진 태양전지를 제조하기 위해서는 태양전지의 구조를 변경하여 새로 개발하는 방법이 있고, 상기 실리콘 웨이퍼에 사용되는 실리콘 원료가 고품질인 것을 사용하는 방법이 있다.
그러나 고품질의 실리콘 원료를 사용하게 되면 태양전지의 효율은 높일 수 있으나, 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
최근 급속히 진전되고 있는 태양광 발전 시스템은 결정계 실리콘을 사용하는 것이 대부분을 차지하고, 또 그 절반 이상은 캐스팅(casting) 기법에 의해 제작된 다결정 실리콘 기판을 사용한 태양전지가 사용되고 있다. 이러한 이유는 다결정 실리콘은 단결정 실리콘에 비해 저비용이기 때문에 양산화에 적합하고, 동시에 수년간의 기술개발로 인해 효율이 꾸준히 향상되어 실제 모듈 양산품으로 적용한 상태에서도 높은 효율이 실현되고 있다.
캐스팅 기법의 고품질화는 고효율 소자를 제작함에 있어서 필수 과제이고, 고체 및 액체 계면의 온도분포와 응고속도 등 많은 노하우가 이용되어 실리콘 잉곳이 생산된다. 그러나 종래의 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 캐스팅 기법은 실리콘 결정의 결함, 도가니로부터 철의 오염, 태양전지를 만들었을 때 태양광의 반사율이 감소하고 흡수율을 높이기 위한 피라미드 텍스쳐링(pyramid texturing)의 어려움 등의 문제점이 있다.
상기 문제점을 개선하기 위하여 최근 BP solar사(社)는 Mono2TM이라고 명명한 새로운 Seeded Directional Solidification 기술을 개발하였고, 독일은 AMG사(社)는 BP solar사의 기술을 구매하여 상기 기술을 적용시킨 공정을 위한 장비를 개발하겠다고 발표를 하였다.
BP solar사의 Mono2TM 기술은 다결정 잉곳 제조방식인 캐스팅 기법 방식을 사용하지만, 결정핵 생성과 결정 성장 조건을 조절하여 거대 단일 결정립과 결정립 내의 결함을 최소화하는 것으로 잉곳의 품질을 단결정 수준으로 향상시키고, 이러한 Mono2TM 기술을 통해 제조한 실리콘 웨이퍼는 기존 방식의 기판보다 결함이 적어 효율이 1% 이상 향상된 것으로 알려져 있다. 또한 소수 캐리어 수명 시간이 개선되고, 알카라인 용액을 사용하여, 피라미트 텍스쳐링이 용이한 것으로 알려져 있다.
그러나 Mono2TM 기술은 단결정 실리콘 시드를 작은 사각형 조각으로 만들고, 사각형상의 다결정 실리콘 잉곳 제작용 도가니의 밑바닥에 하나의 층이 형성되도록 채워넣기 때문에 많은 양의 단결정 실리콘 시드를 필요로 하여 실리콘 잉곳의 제조원가가 높은 문제점이 있었고, 또한 이 기술을 통해 제조된 실리콘 잉곳은 전체 실리콘 잉곳 중에 단결정 실리콘의 분율이 60%를 넘지 못하여 높은 효율을 기대하기 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 용융된 실리콘 원료의 상부에 단결정 실리콘 시드를 접촉시켜 방향성 응고를 유도함에 따라 온도 조절이 용이하여 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 성장이 진행된 실리콘 결정부를 들어올려 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 도가니의 파손을 방지할 수 있는 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 성장이 진행된 실리콘 결정부를 용이하게 들어올리기 위하여 도가니의 내측면에 접하는 용융된 실리콘 원료인 실리콘 용융체가 응고되지 않고 일정한 온도가 유지되도록 도가니의 외측면에 밀착된 측면히터로 가열시켜 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명인 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법은 사각형상의 도가니에 실리콘 원료를 충진하고 상기 도가니 주변의 히터로 상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용융체를 제조하는 실리콘 용융체 제조단계, 상기 실리콘 용융체의 상부 중앙에 단결정 실리콘 시드를 접촉시키는 단결정 실리콘 시드 접촉단계, 상기 도가니 주변의 히터와 상기 도가니 상부에 위치한 냉각부로 온도를 낮추며 조절하여 상기 실리콘 용융체의 상부 방향으로부터 하부 방향으로 응고를 유도하는 방향성 유도 응고단계, 상기 실리콘 용융체가 응고함에 따라 상기 실리콘 용융체의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘 결정부가 형성되고, 상기 실리콘 용융체의 측부와 하부에는 다결정 실리콘 결정부가 형성되면서 실리콘 결정부가 성장하는 실리콘 결정부 성장단계가 포함되어 이루어지고, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서 성장이 진행된 실리콘 결정부를 일정 높이만큼 들어올려 상기 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 상기 도가니의 파손을 방지한다.
본 발명은 용융된 실리콘 원료인 실리콘 용융체의 상부에 단결정 실리콘 시드를 접촉시켜 방향성 응고를 유도함에 따라 온도 조절이 용이하여 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한 성장이 진행된 실리콘 결정부를 들어올려 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 도가니의 파손을 방지하는 효과가 있고, 성장이 진행된 실리콘 결정부를 용이하게 들어올리기 위하여 도가니의 내측면에 접하는 실리콘 용융체가 응고되지 않고 일정한 온도가 유지되도록 도가니의 외측면에 밀착된 측면히터로 가열시켜 단결정 실리콘의 품질과 유사한 다결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 단결정 실리콘 시드가 용융된 실리콘에 접촉된 상태를 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 용융된 실리콘의 방향성 유도 응고 상태를 나타낸 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 성장이 진행된 실리콘 결정부를 나타낸 구성도.
도 6은 단결정 실리콘 잉곳과 본 발명의 모듈화 밀집도를 비교하기 위한 구성도.
본 발명인 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하기로 한다. 하기 설명은 일실시예일 뿐이고 본 발명은 이것에 국한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 흐름도이다.
본 발명인 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법은 실리콘 용융체 제조단계, 단결정 실리콘 시드 접촉단계, 방향성 유도 응고단계 및 실리콘 결정부 성장단계가 포함되어 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 잉곳 제조장치의 구성도이고, 상기 다결정 실리콘 잉곳 제조장치에서 냉각부, 이송부 등인 공지의 구성은 아래 설명과 도면에서 생략되었다.
상기 용융 실리콘 제조단계는 먼저 진공 챔버(30) 내부에 위치하여 상부가 개방된 직육면체인 사각형상의 도가니(30)에 실리콘 원료(40)를 충진하고 도가니(30) 주변의 히터(50)로 도가니(30)를 가열함에 따라 실리콘 원료(40)를 용융시켜 실리콘 용융체(42)를 제조한다.
이때 도가니(30) 주변의 히터(50)는 가열된 실리콘 원료(40)의 열을 도가니(30)의 상부로 방출시키기 위하여 도가니(30)의 측부와 하부로부터 일정한 간격으로 이격된 측부히터(52)와 하부히터(54)가 구비되고, 측부히터(52)와 하부히터(54)를 이용하여 도가니(30)를 가열시킨다.
상기 도가니(30)와 측부히터(52) 및 하부히터(54)는 진공 챔버(10) 내에서 그라파이트 재질로 이루어진 단열재(20)로 둘러싸여 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 단결정 실리콘 시드 접촉단계는 실리콘 용융체(40)의 상부 중앙에 단결정 실리콘 시드(70)를 접촉시킨다.
이때 상기 단결정 실리콘 시드(70)는 원뿔형과 직육면체 중 어느 하나인 것이 바람직하고, 단결정 실리콘 시드(70)가 진공 챔버(10)의 상부에서 시드 투입관(80)을 통해 하부로 하강하여 실리콘 용융체(42)의 상부면에 접촉되기 때문에 진공 챔버(10) 내의 도가니(30)와 시드 투입관(80)의 구조를 고려하여 실리콘 용융체(42)의 상부면에 넓게 접촉하기 위해서는 원뿔형인 것이 더 바람직하다.
표 1은 BP solar사의 Mono2TM과 본 발명에 따른 단결정 실리콘 시드의 위치를 비교하기 위해 나타낸 것이다.
Figure pat00001
BP solar사의 Mono2TM 기술에서는 표 1과 같이 단결 실리콘 시드를 도가니의 밑바닥에 배열시킨 뒤에 그 위에 실리콘 원료를 충진하여 실리콘 용융체를 제조하는 차이가 있다. 이러한 방법은 도가니의 밑바닥에 하나의 층이 형성되도록 채워넣기 때문에 많은 양의 단결정 실리콘 시드를 필요로 하여 실리콘 잉곳의 제조원가가 높은 문제점이 있고, 또한 단결정 실리콘 시드가 용융되지 않은 상태에서 다결정 실리콘 원료만 용융시켜야 하기 때문에 온도 및 냉각 조절이 쉽지 않으며, 이로 인하여 이 기술을 통해 제조된 실리콘 잉곳은 전체 실리콘 잉곳 중에 단결정 실리콘의 분율이 60%를 넘지 못하여 높은 효율을 기대하기 어려운 문제점이 있었다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 방향성 유도 응고단계는 단결정 실리콘 시드(70)를 실리콘 용융체(42)에 접촉시킨 다음에 도가니(30) 주변의 히터(50)와 도가니(30) 상부에 위치한 냉각부(60)로 온도를 낮추며 조절하여 실리콘 용융체(42)의 상부 방향으로부터 하부 방향으로 응고를 유도한다.
이때 히터(50)의 온도는 급격히 떨어뜨리지 않고 서서히 떨어뜨려야 후술하는 단결정 실리콘 결정립의 생성과 단결정 실리콘 결정부의 성장이 잘 일어나게 된다.
상기 냉각부(60)는 수냉관이 내장된 그라파이트 재질인 것이 바람직하고, 냉각부(60)를 진공 챔버(10)의 상부에 노출되게 할 수도 있으며, 시드 투입관(80)을 통해 상부에서 단결정 실리콘 시드(70) 방향으로 다량의 불활성 가스를 주입하는 방법도 가능하다. 또한 상기 냉각부(60)를 적용하는 방법을 동시에 적용할 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 실리콘 결정부 성장단계는 실리콘 용융체(42)가 응고함에 따라 실리콘 용융체(42)의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘의 결정립이 생성되어 단결정 실리콘 결정부(44a)가 형성되고, 상기 실리콘 용융체(42)의 측부와 하부에는 다결정 실리콘의 결정립이 생성되어 다결정 실리콘 결정부(44b)가 형성되면서 실리콘 결정부(44)가 성장하게 된다.
상기 방향성 유도 응고단계를 통해 성장된 실리콘 결정립은 결정립의 입자 크기가 매우 크고 고품질을 갖는 효과가 있다.
상기 실리콘 결정부(44)의 성장이 완료되면 단결정 실리콘의 품질과 유사한 고품질의 다결정 실리콘 잉곳이 완성되는 것이다.
상기 실리콘 결정부(44)의 성장속도는 8~12㎜/h가 되도록 온도를 낮추며 조절하는 것이 바람직하다. 일실시예로 실리콘 잉곳의 두께가 200㎜라면 약 20시간 안팎의 실리콘 결정부 성장시간을 갖도록 히터의 온도를 조절한다.
상기 실리콘 결정부(44)의 성장속도가 8㎜/h 미만이 되면 도가니(30)와 실리콘 결정부(44)의 반응으로 인해 오염의 문제가 발생하고, 12㎜/h 초과가 되면 단결정 실리콘 결정부(44a)가 손상되거나 실리콘 결정부(44)에서 단결정 실리콘 결정부(44a)의 크기가 좁게 형성되어 다결정 실리콘 결정부(44b)가 크게 형성될 수 있다.
이때 성장이 진행된 실리콘 결정부(44)를 일정 높이만큼 들어올려 상기 실리콘 결정부(44)의 체적변화에 따른 도가니(30)의 파손을 방지한다.
상기 실리콘 결정부(44)를 들어올리는 방법은 단결정 실리콘 시드(70)를 상부로 올리는 것에 의해 단결정 실리콘 시드(70)와 연결되어 형성된 실리콘 결정부(44)가 들어올려지게 되고, 이와 동시에 실리콘 결정부(44)가 용이하게 들어올려지도록 도가니(30)의 내측면에 접하는 실리콘 용융체(42)가 응고되지 않고 용융점에 가까운 온도로 유지하게 측부히터(52)로 가열한다.
도가니(30)의 내측면에 접하는 실리콘 용융체(42)의 온도는 1400~1430℃를 유지하는 것이 바람직하다.
실리콘 결정부(44)는 고체이고 아직 실리콘 결정부(44)로 응고되지 않은 실리콘 용융체(42)는 액체 상태이기 때문에, 실리콘 결정부(44)의 체적변화와 고체와 액체 간의 비중 차이로 인하여 단결정 실리콘 시드(70)를 자연스럽게 상부로 올리면 일체로 연결되어 형성되는 실리콘 결정부(44)가 들어올려진다.
종래 쵸크랄스키(Czochralski) 기법은 반구형상인 원형 도가니에 담긴 실리콘 용용체에 단결정 실리콘 시드를 접촉시킨 후 회전시키면서 서서히 인상하는 회전상승 공정이 필요하게 되는데, 이러한 공정은 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 도가니에서는 실시할 수 없는 방법이고, 다결정 실리콘 잉곳에 이러한 공정을 부가하게 된다면, 반구형상인 원형 도가니와 회전상승 장치 등인 고가의 장비를 별도로 구비해야 하고 반구형상의 도가니 내면에 이형제 코팅을 위한 작업도 필요하기 때문에 다결정 실리콘 잉곳을 제조하려는 본래의 목적 범위를 벗어나게 된다.
이에 반해 본 발명은 사각형상의 도가니(30)에 담긴 실리콘 용융체(42)를 상기 단결정 실리콘 시드 접촉단계, 상기 방향성 유도 응고단계 및 상기 실리콘 결정부 성장단계를 통해 상기 실리콘 용융체(42)의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘의 결정부(44a)를 형성하고, 실리콘 용융체(42)의 측부와 하부에는 다결정 실리콘의 결정부(44b)를 형성하는 것으로 실리콘 결정부(44)을 성장시킴에 따라 제조방법이 용이하면서도 제조단가가 낮으며 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있고, 본 발명을 통해 제조된 다결정 실리콘 잉곳은 전체 실리콘 잉곳 중에 단결정 실리콘의 분율이 80%를 넘어 높은 효율을 가진다.
완성된 단결정 실리콘의 품질과 유사한 고품질의 다결정 실리콘 잉곳(mono like multicrystalline silicon ingot)은 웨이퍼 제작시 웨이퍼를 제조하는 조건에 따라 중심부의 단결정 실리콘 결정부(44a)와 주변부의 다결정 실리콘 결정부(44b)가 혼재되어 있는 상태에서 제조하거나, 또는 주변주의 다결정 실리콘 결정부(44b)는 제거하고 단결정 실리콘 결정부(44a)만을 선택해서 사용할 수도 있다. 종래 단결정 실리콘 잉곳이 잉곳의 상하 높이에 따라 결정립 입자의 크기 차이가 생기는 것과 마찬가지로 본 발명의 다결정 실리콘 잉곳도 잉곳의 상하 높이에 따라 단결정과 다결정의 비율이 달라지는 차이가 생길 수도 있기 때문에 웨이퍼의 제조시 웨이퍼가 적용되는 조건에 따라 필요한 부분을 선택하여 적용하는 것이다.
표 2는 단결정 실리콘 잉곳, 다결정 실리콘 잉곳 및 본 발명으로부터 실리콘 웨이퍼를 만들어 비교한 것을 나타낸다.
Figure pat00002
일반적인 종래 다결정 실리콘 웨이퍼는 다결정 간의 경계면 등으로 인해 효율이 떨어지는 반면에, 본 발명을 통한 다결정 실리콘 웨이퍼는 단결정 실리콘 웨이퍼와 품질이 유사하고 제조비용이 낮으면서도 생산성이 높으며, 도 6에 도시된 바와 같이 (a) 반구형상인 원형 도가니에서 제조된 단결정 실리콘 웨이퍼(100')는 잘라내는 부분(120')으로 인하여 (b) 본 발명에 따른 사각형상인 도가니에서 제조된 다결정 실리콘 웨이퍼(100)가 더 면적이 넓음에 따라 (c) 태양전지의 제조시 모듈화 밀집도가 높은 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예를 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10 : 진공 챔버 20 : 단열재
30 : 도가니 40 : 실리콘 원료
42 : 실리콘 용융체 44 : 실리콘 결정부
44a : 단결정 실리콘 결정부 44b : 다결정 실리콘 결정부
50 : 히터 52 : 측부히터
54 : 하부히터 60 : 냉각부
70 : 단결정 실리콘 시드 80 : 시드 투입관

Claims (7)

  1. 사각형상의 도가니에 실리콘 원료를 충진하고 상기 도가니 주변의 히터로 상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용융체를 제조하는 실리콘 용융체 제조단계,
    상기 실리콘 용융체의 상부 중앙에 단결정 실리콘 시드를 접촉시키는 단결정 실리콘 시드 접촉단계,
    상기 도가니 주변의 히터와 상기 도가니 상부에 위치한 냉각부로 온도를 낮추며 조절하여 상기 실리콘 용융체의 상부 방향으로부터 하부 방향으로 응고를 유도하는 방향성 유도 응고단계,
    상기 실리콘 용융체가 응고함에 따라 상기 실리콘 용융체의 상부와 중심부에는 단결정 실리콘 결정부가 형성되고, 상기 실리콘 용융체의 측부와 하부에는 다결정 실리콘 결정부가 형성되면서 실리콘 결정부가 성장하는 실리콘 결정부 성장단계가 포함되어 이루어지고,
    상기 실리콘 결정부 성장단계에서 성장이 진행된 실리콘 결정부를 일정 높이만큼 들어올려 상기 실리콘 결정부의 체적변화에 따른 상기 도가니의 파손을 방지하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 용융체 제조단계에서,
    상기 도가니 주변의 히터는 가열된 실리콘 원료의 열을 도가니의 상부로 방출시키기 위하여 상기 도가니의 측부와 하부로부터 일정한 간격으로 이격된 측부히터와 하부히터가 상기 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 단결정 실리콘 시드 접촉단계에서,
    상기 단결정 실리콘 시드는 원뿔형과 직육면체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서,
    상기 실리콘 결정부의 성장속도는 8~12㎜/h가 되도록 온도를 낮추며 조절하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서,
    상기 단결정 실리콘 시드를 상부로 올리는 것에 의해 상기 단결정 실리콘 시드와 연결된 상기 성장이 진행된 실리콘 결정부가 들어올려지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서, 상기 실리콘 결정부 성장단계에서,
    상기 성장이 진행된 실리콘 결정부가 용이하게 들어올려지도록 상기 도가니의 내측면에 접하는 실리콘 용융체가 응고되지 않게 상기 측부히터로 가열하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 도가니의 내측면에 접하는 실리콘 용융체의 온도는 1400~1430℃인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법.
KR1020110082328A 2011-08-18 2011-08-18 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법 KR101271649B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110082328A KR101271649B1 (ko) 2011-08-18 2011-08-18 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110082328A KR101271649B1 (ko) 2011-08-18 2011-08-18 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130019992A true KR20130019992A (ko) 2013-02-27
KR101271649B1 KR101271649B1 (ko) 2013-06-11

Family

ID=47898011

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110082328A KR101271649B1 (ko) 2011-08-18 2011-08-18 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101271649B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101461163B1 (ko) * 2013-03-19 2014-11-13 소스트 주식회사 사각형 잉곳 성장 장치
KR101495119B1 (ko) * 2014-01-16 2015-02-24 한양대학교 산학협력단 공융 응고를 이용한 유기 반도체성 나노구조체의 결정 성장 방법
WO2017111227A1 (ko) * 2015-12-23 2017-06-29 주식회사 엘지실트론 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109161965A (zh) * 2018-09-12 2019-01-08 晶科能源有限公司 铸造类单晶制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4060106B2 (ja) * 2002-03-27 2008-03-12 三菱マテリアル株式会社 一方向凝固シリコンインゴット及びこの製造方法並びにシリコン板及び太陽電池用基板及びスパッタリング用ターゲット素材
JP4528995B2 (ja) * 2007-08-02 2010-08-25 国立大学法人東北大学 Ｓｉバルク多結晶インゴットの製造方法
JP2010241650A (ja) * 2009-04-08 2010-10-28 Mitsubishi Materials Techno Corp シリコンインゴットの製造方法、シリコンインゴットの製造装置及びシリコン結晶成長方法
KR101025652B1 (ko) * 2009-06-05 2011-03-30 주식회사 엘지실트론 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101461163B1 (ko) * 2013-03-19 2014-11-13 소스트 주식회사 사각형 잉곳 성장 장치
KR101495119B1 (ko) * 2014-01-16 2015-02-24 한양대학교 산학협력단 공융 응고를 이용한 유기 반도체성 나노구조체의 결정 성장 방법
WO2017111227A1 (ko) * 2015-12-23 2017-06-29 주식회사 엘지실트론 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101271649B1 (ko) 2013-06-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102268724B (zh) 多晶硅锭及其制造方法、太阳能电池
CN102277618B (zh) 多晶硅锭的制造方法
US10253430B2 (en) Method for preparing polycrystalline silicon ingot
CN101370970B (zh) 制造单晶铸硅的方法和装置以及用于光电领域的单晶铸硅实体
JP5596788B2 (ja) サファイア単結晶成長方法とその装置
TWI620838B (zh) 包含成核促進顆粒之矽晶鑄錠及其製造方法
TWI441962B (zh) 矽晶鑄錠及其製造方法（一）
CN103361722A (zh) 多晶硅锭及其制备方法、多晶硅片和多晶硅铸锭用坩埚
JP5464429B2 (ja) 四角形の断面を有する単結晶シリコンの育成方法
CN102877129A (zh) 一种晶体硅及其制备方法
KR101271649B1 (ko) 단결정 실리콘 시드를 이용한 고품질 다결정 실리콘 잉곳의 제조방법
CN102644108A (zh) 一种铸造法生长硅晶体的装料方法以及生长硅晶体的工艺
WO2014056157A1 (zh) 多晶硅锭及其制造方法、坩埚
CN102776556B (zh) 一种多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片
CN201183846Y (zh) 多晶硅铸锭炉的热场结构
CN103343388A (zh) 多晶硅铸锭的制备方法
JP4060106B2 (ja) 一方向凝固シリコンインゴット及びこの製造方法並びにシリコン板及び太陽電池用基板及びスパッタリング用ターゲット素材
CN104203845A (zh) 通过定向凝固制备铸造硅的方法
CN103255477A (zh) 一种成型蓝宝石晶体的生长方法及设备
EP3572560B1 (en) Single crystal manufacturing device
US20110247364A1 (en) Process for producing multicrystalline silicon ingots by the induction method and apparatus for carrying out the same
JP5572661B2 (ja) 結晶成長装置
CN204281893U (zh) 一种定向固化保温热场
KR101116235B1 (ko) 일체형 단열-히터를 구비한 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳 제조장치
CN104831349A (zh) 一种多晶硅铸锭提高硅片品质的方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee