KR960013580B1 - 덴드 라이트 웨브 실리콘 결정 성장 방법 - Google Patents

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Description

덴드 라이트 웨브 실리콘 결정 성장 방법

제1도는 덴드 라이트 웨브 실리콘 결정 성장 시스템의 부분 단면형상의 개략도.

제2도는 실리콘 덴드 라이트 웨브 결정을 성장시키기 위해 공동으로 사용된 수납기 리드의 정면도.

제3도는 개스 챔버의 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

19 : 개스 흡입 라인 20: 개스 배출 라인

28 : 수납기 30 : 도가니

32 : 덴드 라이트 웨브 결정

본 발명은 개선된 순도와 개선된 효율을 갖는 덴드 라이트 웨브 실리콘 결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다.

덴드 라이트 웨브 실리콘 결정은 (111)방위로 성장되며, 고순도의 단결정 물질로 구성되며, 길고 얇은 리본 형상을 갖고 있다. 태양에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 고성능의 태양 셀을 저렴하게 생산하고자 하는 의욕이 덴드 라이트 웨브 실리콘의 개발의 촉진제가 되고 있다. 상기 결정으로 형성된 얇은 리본은 사용하기전에 슬라이스되고 랩되고 연마되어야 하는 종래의 Czochralski 결정으로 형성된 웨이퍼 기판과는 대조적이고, 비용이 비싸게 들긴 하지만 종래보다 적은 수의 추가처리를 필요로 한다. 또한, 사각형의 실리콘 리본은 개별 셀을 팩킹하여 대형 모듈 및 태양 셀 어레이로 하는데 효과적이다.

실제, 덴드 라이트 웨브 결정을 효과적으로 성정시키기 위해, 이러한 결정과 이것을 성장시키는 시스템은 충분한 순도를 가져야 한다. 예컨대, 성장 챔버내로 다량의 산소가 들어갔다면 실리콘 디옥사이드는 용해물 위에서 개스형상을 형성될 수도 있고 용해물 표면위에 존재할 수도 있어 결정이 성장하는데 영향을 준다. 산소는 성장중인 결정에 악영향을 미치는데 즉, 암청색 및(또는) 금색 산화 필름을 형성하는데, 이 필름은 상기 결정을 태양 셀로 가공하기전에 반드시 제거되어야 한다. 따라서, 과거에는 덴드 라이트 웨브 결정이 진공화되고 정제된 개스 챔버에 아르곤 개스를 넣어 상기 용해물과 성장중인 결정상에서의 산소효과를 최소로 하는 상태에서 성장되었었다.

그러나, 아르곤 개스만으로 성장시스템의 순도와 관련하고 있는 모든 문제를 해소한 것은 아니다. 예컨대, 암색 침전이 역전환 흐름을 개시하여 결정 성장에 영향을 주는 시스템의 리드 및 시일드위에 모이는 경향이 있다. 덴드 라이트 웨브 결정은 통상도가니로부터 성장되는데, 이 도가니는 가열될 때 개스형태의 실리콘 산화물을 생성하면서 용해된 실리콘과 반응하는 경향이 있으며, 상기 실리콘 산화물은 제거되어야 할 밝은 갈색의 분말 형태의 산화물 코팅처럼 성장중인 덴드 라이트 웨브위에 농축된다. 부착산화물 즉, 덴드 라이트 웨브 표면위에 직접 형성된 산화물은 통상 있는 일이며 이것은 습식 화학처리로 제거되어야 한다. 상기 성장 시스템도 습기를 품고 있는 경향이 있으므로, 내부 몰리브덴 성분 즉, 자유 몰리브덴과 반응하는데, 이 몰리브덴은 상기 시스템을 거쳐 웨브 표면에 부착되어 웨브의 결정 구조부내로 확산한다. 몰리브덴은 웨브가 광도체로서의 기능을 잃어 버리기 전에 단지 극소의 농도만을 허용할 수 있다.

이 절차는 덴드 라이트 웨브 결정에 함유된 전술한 불순물의 농도를 직접 측정하는 것을 가능하게 하지만, 실행하기에 어렵고 비용이 많이 들며 시간이 많이 걸리는 문제점을 갖고 있다. 결정 순도를 나타내는 더 좋은 방법으로는 한 결정으로 제조한 소정의 광 셀과 타 결정으로 제조한 셀을 비교하여 나타낸 상대광기전 효율을 들 수 있다. 일반적으로, 결정순도는 상기 결정으로 생성된 광기전 셀의 효율과 직접적으로 관계하고 있다. 결정 순도가 높아질수록 셀의 효율이 좋아진다. 셀의 효율을 향상시키기 위해, 종래에 생성된 것의 순도보다 높은 순도를 갖는 결정을 생산할 수 있는 수단을 안출해야만 했다. 불량 시스템에 관련된 조건들을 줄이기 위해서는, 현재의 결정 성장 시스템에서 가능한 순도보다 더 높은 순도를 유지할 수 있는 방법을 개발하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 순도가 높은 결정을 생성하여 효율이 좋은 광기전 셀을 제공하고자 하는 것이다. 이와 같은 덴드 라이트 웨브 결정은 시스템의 덴드 라이트 웨브 결정을 성장시키기 이전에 예비처리단계로서 헬륨 개스를 채스 챔버에 유입시킨 상태에서 생성된 것이다. 이것은 성장 시스템에서 통상 발생하는 침전 현상을 약화시키고, 결정성장시의 그 침전 효과도 약화시킨다. 상기 헬륨은 개스챔버, 수납기, 도가니 및 시스템의 그외의 곳에 모여 있는 불순물을 떼어내어 상기 성장 시스템을 어떤 방식으로도 정화한다.

이외에, 사전처리용 헬륨이 전술한 바와같이 부여되었을 때, 결정 표면위에 침전되는 암청색의 점착성 산화물은 크게 줄어들거나 제거되며, 이로인해 종래 결정 성장 처리 과정에서 필요했던 습식 화학 처리를 생략할 수 있다.

제1도는 덴드 라이트 웨브 결정 성장을 사용하는 종래의 시스템(1)을 도시한 것이다. 도시된 바와같이, 수납기(28)는 용융된 다결정 실리콘(31)을 수용한 도가니(30)를 포함한다. 수납기 리드(15)는 수납기 시스템위에 배치되어 있다. 제2도에 도시된 바와같이, 수납기 리드(15)는 덴드 라이트 웨브 결정(32)을 인출할 수 있는 슬롯(16)을 갖고 있다. 도시된 바와같이 덴드 라이트 웨브 결정(32)은 용융된 실리콘(31)에서 성장된 덴드 라이트 결정부(10)에 의해 그 모양이 결정된다.

제1도에 도시된 바와같이, 웨브 결정 시스템은 가열소자(17)를 포함한다. 이 가열 소자는 코일형상의 유도히터로서, 도가니(30)에서 수용된 실리콘(31)의 온도를 대기 압력하에서 실리콘 용융점 즉, 1412°C까지 올리는데 사용된다. 전체 덴드 라이트 웨브 결정 시스템은 개스 흡입 라인(19), 개스 배출 라인(20) 및 굴뚝(21)을 포함한다. 상기 개스 흡입 라인(19)은 개스 챔버(18)의 내부 환경 바람직하게는 개스 챔버(18)의 저부(27)에까지 뻗어 있는 링부(26)를 포함한다. 이 링부(26)는 개스로 챔버(18)를 채울 수 있는 기능을 갖는다. 이 챔버(18)는 측면 시각부(22)와, 1개 이상의 윗면 시각부(24) 및 챔버(18)의 상부(23)에 놓인 굴뚝(21)을 통과하는 배출부(25)를 포함한다. 상부(23)에 놓인 윗면 시각부(24)는 또다른 개스 유출을 위해 보조 라인에 제공될 수도 있다. 굴뚝(21)은 밸브(21b)를 가진 캡(21a)을 포함하는데, 상기 밸브(21b)는 배기 동작중에 상기 굴뚝을 폐쇄시키고 챔버(18)에 개스를 재충진할 때 사용된다. 이 밸브(21b)는 챔버(18)의 초기 정화동작중에 개방되고, 캡(21a)은 배출부(25)를 통해 빼내질 결정을 위해 완전히 제거된다.

본 발명에 있어서, 개스 챔버(18)는 종래 수단에 의해 예컨대, 각 부 및 밸브를 폐쇄시키고 상기 개스 배출 라인(20)을 배기 소스에 연결시키는 것에 의해 우선 배기된다. 개스 챔버(18)가 배기된후, 아르곤 개스가 시스템을 예비정화시키기 위해 유입 라인(19)을 통해 유입된다. 본 발명에 따른 가장 적절한 실시예에 있어서, 아르곤 개스는 수소개스를 3%까지 포함한다. 그리고, 아르곤 개스는 배출 라인(20)을 통해 개스 챔버(18)로부터 배출된다. 이 절차는 3번 반복되며, 예비 가열 단계를 포함하는데, 이 단계에서는 가열 소자(17)가 사용되어 아르곤 개스의 추가 공급을 수반하면서 상기 시스템을 대략 400℃로 예비가열한다.

바람직한 절차에 있어서, 아르곤 개스 정화동작은 개스유입밸브(19a)와 개스 챔버위의 모든 배출 밸브가 폐쇄되었는지를 먼저 확인하는 것으로부터 시작된다. 그리고, 상기 챔버는 진공 펌프에 의해 배기처리되는데, 개스 챔버내의 압력이 20milli-Torr 또는 그 이하가 될 때까지 배기된다. 그리고, 진공 밸브(20a)는 폐쇄되고, 개스 유입 밸브(19a)는 개방되고, 개스 챔버는 약 150mmHg(3psi)압력까지 아르곤 개스로 재충진된다. 그리고, 20milli-Torr의 압력이 얻어질 때까지 진공밸브(20a)를 개방한후, 다시 폐쇄하고, 개스 유입 밸브(19a)를 개방하여 아르곤 개스 넣는 것을 3번 반복한다.

마지막 아르곤 정화 개스가 배출된후, 배출 라인 밸브(20a)를 폐쇄하고, 개스 유입 라인(19)을 통해 개스 챔버(18)에 헬륨을 유입하고, 유입 밸브(19a)를 개방하고, 굴뚝(21)을 폐쇄시켜 헬륨 개스를 재충진하는데, 상기 챔버(18)가 대기압력과 같아질때까지 충진한다. 상기 밸브(21b)를 개방하고, 헬륨 개스 흐름을 조절한다. 헬륨 개스의 유속은 위험하지는 않지만 헬륨 개스가 개스 챔버(18)에 채워져 있는 동안 약간 포지티브한 압력을 유지하기에 충분하다. 챔버(18)에 헬륨 개스를 채운후, 헬륨이 챔버내로 계속 흘러들어가고 약간 포지티브한 압력이 유지되고, 초과된 헬륨은 밸브(21b)를 통해 대기내로 누설된다. 재충진 절차에 사용된 헬륨은 적어도 99.999% 순도를 갖는 초순도의 헬륨이 바람직하다.

개스 챔버(18)를 헬륨으로 재충진한후, 이 시스템은 가열소자(17)에 의해 바람직하게 설정된 가열 속도 또는 램프속도로 대략 1300-1350℃의 온도로 미리 가열된다. 이 헬륨 개스는 이 가열 단계에서 약간 포지티브한 압력으로 개스 챔버내에 계속해서 들어간다.

이 가열단계 다음에, 덴드 라이트 웨브 결정으로 성장될 아르곤 개스가 개스 챔버내로 유입된다. 이것은 아르곤 개스 공급원을 작동시키고 유입 개스 라인을 통해 아르곤 개스를 유입하는 동시에 이 시스템에 헬륨이 흐르게 하는 것을 유지하는 것에 의해 이루어진다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 이르곤 개스는 3%까지의 수소개스를 포함한다. 아르곤은 헬륨보다 무겁기 때문에, 헬륨은 아르곤 개스로 대치되며, 헬륨은 굴뚝(21)상의 개방 밸브(21b)를 통해 시스템 외부로 보내진다. 헬륨 개스가 아르곤 개스로 대치된 후 헬륨 개스 공급은 중단될 수도 있다. 이때, 헬륨 정제 처리가 완료되고, 상기 시스템은 웨브 성장을 위한 적절한 조건을 설정하기 위해 대략 1412℃가 될 때까지 계속 가열될 수도 있다. 이와같은 온도조건이 설정되었을 때, 헬륨 개스 공급이 중단된후 약 2시간정도 웨브 성장이 종래방식으로 진행될 수도 있다.

표 1은 본 발명의 헬륨 정제 처리를 용한 경우의 개선된 셀 효율을 나타낸 것이다. 표 1에 도시된 바와같이, 사전처리용 헬륨을 사용한 10개 경우중 9개의 경우에 있어, 상술한 결정으로부터 생성된 태양 셀의 평균효율이 사전처리 헬륨을 사용하지 않은 결정으로부터 생성된 셀보다 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.

* 종래 기술에서 알려진바 있는 표준 시험 측정법에 따라 산출된 것임.

본발명이 설명하기 위한 목적으로 상세히 상술되었지만, 본 발명의 의의 및 범주를 벗어나지 않는 한도내에서 본 기술에 숙련된자에 의해 여러변경이 가해질 수도 있다. 예컨대, 본 발명이 덴드 라이트 웨드 결정에 우선적으로 사용되었지만, 본 기술에 숙련된 자가 순도가 좋은 결정 및(혹은) 성장시스템 순도를 요구하는 또 다른 성장 처리에 본 발명을 적절히 적용하는 것을 기대할 수 있다.

Claims (7)

1. 개스 챔버(18)에 내장된 가열식 수납기(28)내에 배치되고 용해된 실리콘(31)을 수용한 도가니(30)에서 덴드 라이트 웨브 실리콘 결정(32)을 성장시키는 방법에 있어서, 상기 챔버(18)를 배기시키는 단계와, 약간 포지티브한 압력을 생성하기 위해 배기 되어진 상기 챔버(18)에 헬륨을 충진시키는 단계와, 챔버(18)내의 온도를 약 1300℃로 상승시키는 단계와, 상기 챔버(18)내에 제 2 개스를 넣는 단계와, 덴드 라이트 웨브 실리콘 결정(32)의 성장이 개시되기 전에 상기 챔버(18)내의 헬륨을 제 2 개스로 대치시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 성장방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버(18)를 배기시키고, 이 챔버(18)에 제 2 개스를 다시 충진시키고, 배기된 챔버(18)에 헬륨을 다시 충진시키기 이전에 상기 챔버(18)를 여러번 배기시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 성장방법.
3. 제 1 항에 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 개스는 아르곤 개스인 것을 특징으로 하는 성장방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 개스는 약 3%의 수소를 함유하는 아르곤 개스인 것을 특징으로 하는 성장방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 헬륨은 99.999%의 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 성장방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 헬륨은 99.999%의 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 성장방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 헬륨은 99.999%의 순도를 갖는 것을 특징으로 하는 성장방법.

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