KR20170000548A - 기포가 억제된 석영도가니 제조를 위한 몰드 및 진공시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석영도가니의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키 공법으로 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는데 사용되는 석영도가니로 내부 층의 기포가 최소화된 석영도가니 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 스테인레스 몰드와 흑연 몰드에 진공 홀의 크기와 패턴을 설정하여 진공압력 시스템용으로 제작하는 단계, 상기 흑연 몰드의 진공 홀은 내부와 외부 홀의 크기를 다르게 하여 내부 홀에 ceramic seal을 사용하여 막는 단계, 상기 흑연 몰드에 원료를 투입하고 몰드의 회전, 전기 아크열과 진공압력을 조절하여 석영도가니를 제조하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

기포가 억제된 석영도가니 제조를 위한 몰드 및 진공시스템{Mold and Vacuum System for Preparation of Pore-Free Quartz Crucibles}

본 발명은 태양전지용 단결정 실리콘 잉곳 제조시 잉곳 성장로 내부에 사용되는 석영도가니 제조에 관한 것으로, 도가니 내부에 발생하는 기포(Bubble) 제거 방법으로 스테인레스 몰드와 흑연 몰드 그리고 몰드의 진공 시스템에 관한 것이다.

단결정 실리콘 태양전지의 소재인 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 과정은 소위 쵸크랄스키(Czochlalski, CZ) 공법을 이용하여 일반적으로 제조된다.

CZ법에서는 실리콘을 용융시킬 도가니로 석영도가니를 사용하게 된다.

석영도가니는 주로 보울(bowl)형태로 고순도 석영 유리를 주원료로 만들어지며, 기포가 존재하는 외부부분과 기포를 포함하지 않는 내부로 나누어진다.

도가니의 외부 층은 무수하게 많은 작은 기포를 포함하며, 이는 단결정 실리콘을 제조하는 공정 중에 발열체로부터 방사산란(radiation scattering)을 용이하게 하기 위한 것이며, 내부 층은 가능한 기포가 없는 상태로 만든다. 내부 층에 존재하는 기포는 실리콘의 용융과정 중에 분해되어 성장하는 단결정 실리콘의 배향에 큰 영향을 끼칠 수 있게 된다.

실리콘 단결정의 균일한 성장을 위해서는 석영도가니의 기포(bubble)유무와 내부 표면의 상태가 매우 중요하며, 상태가 균일하지 않으면 고온에서 석영도가니의 국부적인 결정화가 발생하여 표면에 이질적인 결정질 석영이 생성되어 단결정 실리콘 성장의 수율저하 원인이 된다.

즉 이질적인 결정질 석영이 실리콘 단결정의 성장을 방해하여 결국 단결정성장이 부분적으로 멈추게 되며, 이 경우 장시간동안 단결정 생성전기로를 냉각 후 재셋팅 하여야 하므로 시간적 경제적 손실이 발생하게 된다.

따라서 석영도가니 내부에 존재하는 기포(bubble)는 도가니의 내열성, 실리콘 잉곳제조의 running time등 실리콘 잉곳의 수율과 직접적 관련이 있기 때문에 석영도가니 제조시 기포는 반드시 최소화하여야 된다.

석영도가니 제조 방법으로는 스테인레스로 제작된 회전체 내부에 흑연 몰드를 장착하고, 스테인레스 몰드를 회전시키면서 고순도 석영분말(Quartz Sand)를 투입한 후 고온의 전기아크로에서 분말을 용해시키게 된다.

고온의 전기아크열과 원심력에 의해 흑연 몰드의 형태대로 석영 분말이 도가니로 성형된다.

이때 석영 분말 사이에 있던 공기들이 밖으로 빠져나가지 못하고 그대로 도가니 내부에 미세 기포로 남아 있게 된다.

본 발명은 쵸크랄스키 법으로 단결정 실리콘을 제조하는데 사용되는 석영도가니의 제조 방법으로 석영도가니의 내부 층에 존재 할 수 있는 기포(Bubble)를 최소화 하여 단결정 실리콘 성장에 장시간 이용가능하고 재사용 할 수 있는 석영도가니를 제조하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 단결정 실리콘 성장에 사용되는 석영도가니 제조에 있어서, 내부 층에 기포를 최소화한 석영도가니를 제조하고자 스테인레스 몰드와 흑연 몰드에 진공 홀을 뚫어 진공채널을 연결하고 진공 펌프를 연결한다.

원료 투입 후 진공펌프를 가동하여 전기 아크열에 의해 용해되고 흑연 몰드 형태로 성형될 때 흑연 몰드 내부의 공기와 석영분말 사이의 공기를 제거함에 특징이 있다.

본 발명은 스테인레스 몰드와 흑연 몰드의 진공 홀을 이용하여 석영도가니 내부층의 기포를 제거함으로서 단결정 실리콘 잉곳 성장의 수율저하 원인을 해결하고 나아가 장시간 이용가능하며 재사용 할 수 있다.

도 1은 일반적인 석영도가니 제조에 사용되는 스테인레스 몰드와 흑연 몰드
도 2는 본 발명에 사용되는 진공압력 시스템용 진공홀을 타공한 스테인레스 몰드
도 3은 본 발명에 사용되는 진공압력 시스템용 흑연 몰드

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 석영도가니 제조에 사용되는 기존 스테인레스 몰드와 흑연 몰드로서 스테인레스 몰드안에 흑연 몰드가 들어가 있게 된다.

회전하고 있는 흑연 몰드에 고순도 석영분말을 넣고 전기 아크로를 이용하면 석영분말이 용해되고 전기아크열과 원심력에 의해서 흑연 몰드 형태대로 석영도가니가 만들어 진다.

이렇게 제작한 석영도가니는 내부층에 미세한 기포를 가지게 된다.

석영도가니는 내부와 외부로 나누어지는데, 내부 층은 기포가 없어야 하고 외부 층은 기포가 존재하여야 한다.

외부 층의 기포로 인해 실리콘 그로잉시 열방사에 의한 열손실을 막을 수 있으므로 적절한 배기와 온도를 조절하여 석영도가니를 제조 한다.

미세한 기포를 최소화하기 위해서 도 2와 도 3과 같이 진공 홀을 뚫어 진공 홀을 연결하고 진공 압력을 걸어준다.

스테인레스 몰드의 진공 홀은 상단과 하단에 설정하고 몰드 내부에서 발생하는 가스 배출과 몰드 내부 기압 저하를 위해 상단에 배기장치를 설정한다.

배기홀의 크기와 패턴을 최적화 하고 400~700MPa 사이의 진공압력을 걸어 주어 진공 압력과 회전으로 인한 원심력으로 흑연 몰드 내부에 존재하는 공기와 석영 분말 사이의 공기를 제거하여 기포가 억제된 내부 층을 갖는 석영도가니를 제작하게 된다.

스테인레스 몰드의 진공 홀과 진공 채널을 형성할 흑연 몰드의 진공 홀은 3~5mm 크기로 일정한 간격으로 설정한다.

이때 진공 홀의 간격은 3~10cm 사이의 간격을 두고 진공 홀의 모양은 외부에서 홀을 뚫고, 반대편(내부)에서 흑연 몰드 두께 중간정도 부분까지 외부 홀 보다 큰 직경의 홀을 뚫는다.

그리고 내부 홀에는 유리 솜(ceramic seal)과 같은 내화 물질로 막는다. 이것은 고순도 석영 분말이 진공 홀을 통해 빨려 들어가는 것을 방지하기 위함이다.

Claims (1)

1. 쵸크랄스키(Czochlalski, CZ) 공법으로 단결정 실리콘 잉곳 제조에 사용되는 석영도가니의 제조 방법에 있어서,
   스테인레스 몰드와 흑연몰드에 진공 홀을 패턴과 크기를 설정하여 진공 시스템용 스테인레스, 흑연 몰드를 제작하는 단계,
   상기 흑연 몰드의 진공 홀에 내부와 외부 홀의 크기를 다르게 두어 내부 홀에 ceramic seal를 사용하여 막는 단계
   상기 흑연 몰드에 원료를 투입하고 몰드의 회전, 전기 아크열과 진공 압력을 조절하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조에 사용되는 석영도가니 내부 층의 기포를 최소화 하는 방법

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