KR20140129733A

KR20140129733A - 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터

Info

Publication number: KR20140129733A
Application number: KR1020130048394A
Authority: KR
Inventors: 이상준; 이영민; 김재민
Original assignee: 웅진에너지 주식회사
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-11-07
Also published as: KR101494522B1

Abstract

본 발명은 태양전지에 사용되는 반도체를 생상하기 위한 실리콘 단결정 잉곳성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 폴리실리콘을 녹이도록 도가니의 둘레에 설치되어 열원을 공급하는 히터에 관한 것이다. 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터는 도가니 외측에 도가니를 감싸도록 근접 설치되고 일정간격 상하 방향으로 다수개의 슬릿이 형성된 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터에 있어서, 상기 슬릿은 그 폭이 증가된 확대부를 구비한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터{Heater for single crystal silicone grower}

본 발명은 태양전지에 사용되는 반도체를 생상하기 위한 실리콘 단결정 잉곳성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 폴리실리콘을 녹이도록 도가니의 둘레에 설치되어 열원을 공급하는 히터에 관한 것이다.

일반적으로 태양광 발전에 사용되는 반도체는 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱하여 제작하게 된다. 실리콘 단결정 잉곳은 실리콘 단결정 잉곳성장장치에서 제작된다.

종래기술에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 모식도가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 종래 실리콘 단결정 잉곳성장장치는 하부로부터 도가니 승강 및 회전 어셈블리(300), 도가니(1)가 내부에 설치된 진공 챔버(200), 진공챔버(200) 상부의 시드 승강 및 회전 어셈블리(100)가 순서대로 설치되어 있다. 진공 챔버(200) 내부에는 도가니(1)가 설치되고 도가니(1) 외부에는 히터(2)가 설치되어 도가니(1)에 공급된 폴리실리콘을 고온에서 녹이게 된다. 이러한 도가니(1)는 기계적으로 승강 및 회전하게 되는데, 이러한 동작은 하부에 설치된 도가니 승강 및 회전 어셈블리(300)에 의해 이루어진다. 그리고 진공 챔버(200) 상부에는 시드 승강 및 회전 어셈블리(100)가 설치되는데, 이 구성요소는 멜트 상태로 녹은 실리콘 멜트에 시드(400)를 담근 다음 서서히 회전시키면서 끌어올려 실리콘 단결정 잉곳을 제작하게 되는 동작을 하게 된다.

즉, 도가니에 여러 가지 모양의 폴리실리콘 단괴들을 넣고 히터를 사용하여 가열함으로써 녹이게 된다. 실리콘들이 녹으면 도가니 상부에서 시드를 내려 실리콘 멜트에 담근 다음 일정 속도로 회전시키면서 서서히 인상하여 실리콘 단결정 잉곳으로 제작하게 된다. 물론 도가니의 회전과 승강은 그 하부에 설치된 기계장치들인 도가니 승강 및 회전 어셈블리에 의해 이루어진다. 이러한 방법으로 실리콘 단결정을 만드는 방법을 소위 쵸크랄스키법이라 한다.

도 2를 참고하면, 종래기술에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터(2)의 일부분(절반)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 잉곳성장장치의 히터(2)는 석영 도가니(Quartz Crucible)(1) 외면에 근접하여 설치된다. 즉 석영 도가니(1) 외면을 모두 둘러싸도록 원통형 모양으로 제작되어 도가니(1) 외측에 감싸도록 설치된다. 히터는 통상 그라파이트를 주재질로 제작한다. 즉 그라파이트에 전원을 연결하여 전류를 흐르도록 하고 그라파이트의 저항열에 의해 히터로서 동작하도록 구성된다. 전류가 원통형 재질을 따라 흐를 수 있도록 유로를 형성하는데, 도시된 바와 같이 일정간격으로 상하 교대로 슬릿(2a)을 상하단으로부터 형성한다. 그에 따라 전류는 그라파이트의 상하단을 따라 흐르면서 열을 발생시키게 된다.

이렇게 전류가 히터(2)를 흐르게 되면, 그 저항에 의해 발열되고 그 결과 고온의 열을 도가니(1)에 전달할 수 있게 된다. 저항열은 슬리(2a)의 끝단부에서 가장 크게 발생하게 되는데 결과적으로 히터(2)의 중간부분에 핫 존이(hot zone) 형성되고, 그 온도가 평균적으로 가장 높게 나타난다. 종래기술에 의한 잉곳성장장치의 히터(2)는 상하부로 Ar 가스가 흐르고 SiOx 가스에 의해 히터(2) 표면에서 쉽게 화학반응이 일어나게 되고, 그에 따라 히터(2) 표면이 식각된다. 따라서 히터(2)를 오래 사용하면 히터(2)의 두께가 얇아져 더 이상 사용할 수 없게 되어 교체를 해야 한다.

히터(2)는 저항열의 발생이 단면적에 비례하기 때문에 전류가 흐르는 단면적이 작을 수록 많은 열을 발생하게 된다. 따라서 히터(2)가 식각되면 그 단면적이 줄어들어 열을 많이 발생하게 되어 히터로서의 성능이 향상되나 전술한 바와 같이 일정두께 이하가 되면 다른 이유들에 의해 교체해야만 하기는 문제점이 있다.

10-1105526

본 발명은 상술한 종래기술에 의한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 슬릿의 폭을 변화시킴으로써 히터의 두께를 유지하여 식각에 의한 히터 교체시기를 종래대로 유지하면서도 히터의 성능을 높일 수 있는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은 도가니 외측에 도가니를 감싸도록 근접 설치되고 일정간격 상하 방향으로 다수개의 슬릿이 형성된 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터에 있어서, 상기 슬릿은 그 폭이 증가된 확대부를 구비한다.

바람직하게는, 상기 확대부는 상기 슬릿의 상단으로부터 중간까지 증가하다가 다시 하단으로 갈수록 감소되도록 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 확대부는 선형적으로 폭이 변화되도록 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 확대부의 최대폭이 상기 슬릿의 길이에 대하여 5% - 6.25%로 형성될 수 있다.

바람직하게는, 상기 확대부는 계단 모양으로 폭이 변화되도록 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

(1) 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터는 국부발열량의 증가로 인하여 신속하게 도가니의 온도를 상승시킬 수 있기 때문에 공정 전략량을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

(2) 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터는 온도를 신속하게 상승시켜 멜트 시간을 단축하므로서 생산성을 향상시킬 수 있다.

(3) 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터는 초기 산소농도를 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

(4) 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터는 국부발열 효과를 높이면서도 동일한 수명을 기대할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래기술에 의한 잉곳성장장치의 모식도이다.
도 2는 종래기술에 의한 잉곳성장장치의 일부 구성요소인 히터의 반절단 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터의 반절단 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 슬릿의 확대 정면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터의 다른 실시예에 의한 슬릿의 정면도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터(20)는 도 3에 도시된 바와 같이 도가니 외측에 도가니를 감싸도록 근접 설치되고 일정간격 상하 방향으로 다수개의 슬릿(20a)이 형성된 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터(20)에 있어서, 상기 슬릿(20a)은 그 폭이 증가된 확대부(21a)를 구비한다.

여기서, 상기 확대부(21a)는 상기 슬릿(20a)의 상단으로부터 중간까지 증가하다가 다시 하단으로 갈수록 감소되도록 형성된다.

또, 상기 확대부(21a)는 선형적으로 폭이 변화되도록 형성된다.

또, 상기 확대부(21a)의 최대폭(A)이 상기 슬릿(20a)의 길이(B)에 대하여 5% - 6.25%로 형성될 수 있다.

더불어, 상기 확대부(21a')는 폭이 단계적으로 변화되도록 다단으로 형성될 수도 있다.

전술한 바와 같이 전류가 흐르는 히터(20)의 단면적을 작게 할수록 저항값이 증가하여 그 부분에서 국부발열이 진행되는 것은 설명한 바와 같다.

또한, 여러 가지 이론과 시험에 의하면, 여러 번 사용하여 식각이 어느 정도 진행된 히터(20)는 슬릿(20a) 부분의 전류밀도 완화와 극부발열이 억제되고 새 것과 비교한 발열부에서 온도분포의 차이가 줄어드는 것으로 확인되었다. 결론적으로 히터(20)의 사용횟수가 증가함에 따라 Dip Power와 Melt Down Time이 줄어드는 것은 히터(20) 식각에 의한 Dimension 변화로 기인되어 히터(20) 자체의 열분포가 변경된 것이 주요 원인이라고 말할 수 있다. 따라서 히터(20)의 발열분포가 변화되어 잉곳성장장치 내부의 Thermal History가 공정에 유리하게 변경되었다는 가설이 타당한 것으로 판단되며, 이러한 결과에 근거로 전력 절감 및 단축을 위한 히터 설계가 가능하여 본 발명에 의한 히터(20)가 개발된 것이다.

히터(20) 부식에 의한 교체가 전체 교체 원인 중 절반 정도에 해당한다. 이는 Ar Gas Flow에 의한 히터 벽(21)의 식각 혹은 부식에 의한 교체이다. SiOx gas에 의해 히터 표면에서 쉽게 화학반응이 일어나는데, 이 화학반응에 의해 히터 벽(210의 두께가 점점 얇아지게 된다. 히터(20) 수명은 히터 벽(21)의 두께에 비례하므로, 국부발열 히터와 같이 벽의 두께를 얇게 만든다면 히터 수명에 지대한 영향을 끼치게 되고, 이는 Hot Zone 수명 단축에 의한 원가 상승 요인이 될 수 있다. 따라서, 국부발열 히터와 동일한 효과를 내면서 히터의 수명을 손해보지 않은 최적의 히터 설계한 것이 본 발명에 의한 히터이다. 상술한 바와 같이 저항은 저항체의 단면적에 반비례하므로, 히터(20)의 벽(21) 두께가 아닌 히터 슬릿(20a)의 폭을 변화함으로써 동일한 국부발열 효과를 발휘할 수 있다.

도 3과 도 4를 참고하면, 본 발명에 의한 히터(20)를 절반한 사시도가 도시되어 있다. 히터(20)는 종래기술과 마찬가지로 원통형 모양으로 이루어지고, 일정간격마다 상하 수직 방향으로 슬릿(20a)이 형성된다. 슬릿(20a)은 상단에서 하단 부근까지, 하단에서 상단 부근까지 형성된 슬릿(20a)들이 교대로 형성되어 있다. 따라서 이러한 슬릿(20a)의 형성에 의해 전류가 흐르는 유로가 형성되게 된다. 전술한 바와 같이 전류 유로의 단면적은 작을수록 저항값이 커져 국부발열이 나타나게 된다. 슬릿(20a)들에는 중간 부분이 확대된 확대부(21a)를 구비하고 있다. 확대부(21a)는 슬릿(20a) 상단과 하단 사이 중간 부분이 최대 폭을 갖도록 형성되어 있다. 그 폭의 증가와 감소는 선형적인 함수에 따라 형성할 수 있다. 여기서는 라운드지게 내측으로 깎인 모양을 하고 있다. 이것은 이차함수를 따라 설계한 것이다. 물론 이외에도 다른 선형적인 함수를 사용하여 폭의 변화를 줄 수 있다.

슬릿(20a)의 가공폭으로 표현된 최대폭(A)은 도 3을 참고하면, 슬릿(20a)의 길이(B)에 대하여 5% - 6.25%로 형성한 경우가 가장 효율적인 것이 많은 실험들에 의해 확인되었다. 여기서 슬릿(20a)의 길이(B)는 상단에서 시작한 슬릿과 하단에서 시작한 슬릿의 겹쳐지는 부분을 슬릇의 길이(B)로 한 것이고, 슬릿의 최대폭(A)은 슬릿의 폭이 변화화되더라도 그 중 가장 큰 폭을 지칭한 것이다. 물론 여기서는 슬릿 확대부(21a)의 최대폭은 중간부분이 될 것이다. 따라서 슬릿의 길이(B)가 100mm이면 슬릿의 최대폭은 5mm에서 6.25mm 정도 사이에서 형성되되도록 하는 것이 가장 이상적이다.

한편 도 5를 참고하면, 히터(20')의 슬릿(20a')의 확대부(21a')를 다단으로 형성한 일례를 보여준다. 도시된 바와 같이 여러 단으로 확대부(21a')를 형성하되, 슬릿(20a')의 최대폭(A)은 상술한 바와 같이 슬릿의 길이(B)에 대하여 5 - 6.25mm로 형성하는 것이 바람직하다. 참조번호 21'는 히터 벽을 나타낸다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

20, 20' : 히터
20a, 20a' : 슬릿
21, 21' : 히터 벽
21a, 21a' : 확대부

Claims

도가니 외측에 도가니를 감싸도록 근접 설치되고 일정간격 상하 방향으로 다수개의 슬릿이 형성된 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터에 있어서,
상기 슬릿은 그 폭이 증가된 확대부를 구비한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터.
제1항에 있어서,
상기 확대부는 상기 슬릿의 상단으로부터 중간까지 증가하다가 다시 하단으로 갈수록 감소되도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터.
제2항에 있어서,
상기 확대부는 선형적으로 폭이 변화되도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터.
제1항에 있어서,
상기 확대부의 최대폭이 상기 슬릿의 길이에 대하여 5% - 6.25%로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터.
제1항에 있어서,
상기 확대부는 폭이 단계적으로 변화되도록 다단으로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳성장장치의 히터.