WO2014148683A1 - 실리콘 잉곳 제조 장치 - Google Patents

실리콘 잉곳 제조 장치 Download PDF

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WO2014148683A1
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silicon
manufacturing apparatus
way solidification
ingot manufacturing
silicon ingot
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이진석
안영수
장보윤
김준수
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Korea Institute of Energy Research KIER
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Korea Institute of Energy Research KIER
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    • C30B13/14—Crucibles or vessels
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/002—Crucibles or containers for supporting the melt
    • 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

Definitions

  • the present application relates to a silicon ingot manufacturing apparatus, and more particularly, to a silicon ingot manufacturing apparatus capable of continuously producing the silicon ingot while forming the length of the silicon ingot as long as possible.
  • solar power generation is widely used as an environmentally friendly power generation method worldwide.
  • photovoltaic power generation takes place in a solar cell that serves to convert light energy into electrical energy.
  • solar cells consist of small silicon crystals.
  • the purity of silicon constituting the solar cell is usually expressed as 5N, 6N, 9N.
  • N means the number of 9 in the weight unit, and 5N means 99.999% purity.
  • the purity reaches 11N.
  • the silicon constituting the solar cell is known to be able to obtain a light conversion efficiency similar to the case of having a purity of 11N only by adding a simple gettering process even in the case of a purity of 5 ⁇ 7N does not require ultra high purity.
  • silicon for producing a semiconductor is manufactured through a chemical vapor deposition (CVD) process.
  • CVD chemical vapor deposition
  • This metallurgical refining process is becoming more important as it manufactures high-purity polysilicon using not only low-cost / low-quality rapid silicon powder but also waste / bad solar cells and process scraps.
  • the manufacture of polycrystalline silicon ingots for solar cells is basically characterized by directional solidification.
  • the solidification heat of the silicon is removed in a predetermined direction of the lower side of the crucible, the solidification is spread from the lower part of the crucible to the upper direction.
  • the separation of the solid-liquid interface is formed to induce impurities toward the liquid phase, and impurities may be collected in the upper direction of the ingot.
  • Metallurgical refining of high-purity silicon for photovoltaic power generation has been developed such as vacuum refining, oxidation, and unidirectional solidification refining.
  • silicon manufacturing technology by metal melting method such as vacuum refining method and unidirectional solidification refining method is easy to control characteristics, and there is little contamination by impurities during operation, and active research is being conducted.
  • the vacuum refining method generally refers to a refining process of removing impurities having a higher vapor pressure than the silicon from the molten metal after melting the metal raw material, and may remove Al, Ca, Mn, and P, which are representative nonmetal impurities. .
  • the unidirectional solidification refining method refers to a refining process in which silicon is segregated with impurities along a solid-liquid interface during phase transition from liquid to solid.
  • Fe which is a representative metal impurity having a good segregation coefficient, is easily segregated. Ti, Cr, Cu, Ni, etc. can be removed.
  • the present application is to solve the problems of the prior art as described above, to provide a silicon ingot manufacturing apparatus capable of continuously mass-producing a solar cell ingot.
  • a silicon ingot manufacturing method including a dummy cylinder having a one-way solidification unit for solidifying a silicon melt and the one-way solidification unit and having a receiving portion therein for accommodating the silicon melt therein
  • An apparatus may be provided.
  • the side of the receiving portion may be inclined so that the cross-sectional area of the receiving portion is increased in the downward direction.
  • the side of the receiving portion may be rounded.
  • the one-way solidification portion may include an inclined portion formed to be inclined to increase the cross-sectional area in the downward direction.
  • the dummy cylinder may descend at a speed corresponding to the speed at which the molten silicon solidifies in the inclined portion.
  • the dummy cylinder may have a graphite material.
  • the surface of the dummy cylinder may include a coating layer.
  • a vacuum chamber for maintaining a vacuum atmosphere, at least one electron-gun provided in the vacuum chamber, and irradiated with an electron beam, provided in the vacuum chamber, to supply a silicon raw material
  • a raw material supply part a silicon melt part in which the silicon raw material is melted by the electron beam to form a silicon melt, a one direction solidification part for solidifying the silicon melt supplied from the silicon melt part, a first channel part and the one direction in the silicon melt part
  • the second channel portion of the solidification portion is provided in the connection hot water and the one-way solidification portion formed in contact with each other, and has a recess recessed inward in the upper, and includes a dummy cylinder for transferring the silicon melt to the lower one-way solidification portion,
  • the groove is characterized in that the lower cross-sectional area is larger than the upper portion of the groove There is the refining device can be provided.
  • the one-way solidification part may have a plurality of cooling flow path parts disposed outside, and a flow path width of at least one cooling flow path part of the plurality of cooling flow path parts may be larger than the remaining flow path width.
  • the at least one cooling channel portion may be disposed on the outer upper portion of the one-way solidification portion.
  • the one-way solidification part may further include a first fluid supply part connected to an upper cooling path part based on the center of the one-way solidification part and a second fluid supply part connected to a lower cooling path part based on the center of the one-way solidification part. can do.
  • the one-way solidification portion may have a copper material.
  • cross-sectional area of the upper end of the one-way solidification portion may increase in the upper direction.
  • the one-side solidification unit for solidifying the silicon melt and the receiving portion having a space in which the molten silicon is accommodated and solidified, and pulling the ingot continuously produced with the silicon solidified in the receiving portion A silicon ingot manufacturing apparatus including a dummy cylinder may be provided.
  • the dummy cylinder has a groove for accommodating the silicon solidified in the one-way solidification unit, it is possible to prevent the gap between the bottom of the ingot and the top of the dummy cylinder when the dummy cylinder moves downward.
  • the length of the ingot can be made longer than before, thereby reducing the manufacturing cost.
  • FIG. 1 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a view showing in more detail the one-way solidification unit of FIG.
  • FIG. 3 is a view showing a modified one-way solidification unit.
  • FIG. 4 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view schematically showing the outside of the one-way solidification unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a one-way solidification unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a view illustrating a state in which the fluid supply unit is disposed in the one-way solidification unit.
  • FIG. 1 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon ingot manufacturing apparatus includes a vacuum chamber 100, an electron gun 200, a silicon melting part 300, and a one-way solidification part 400.
  • the vacuum chamber 100 maintains a vacuum atmosphere therein to allow impurities to evaporate in the silicon melt, which will be described later.
  • the pressure inside the vacuum chamber 100 may be approximately 10-5 torr.
  • a raw material input part 120 may be installed to supply the silicon raw material in the form of particles.
  • the inside of the raw material input part 120 may be provided with a cooling water passage to prevent damage by heat by the electron beam to be described later.
  • the raw material input unit 120 may include a raw material supply line 122 and the raw material supply unit inlet 124, the raw material supply unit inlet 124 is a silicon raw material in the silicon melting unit 300 to be described later The position and angle at which the material is supplied can be adjusted.
  • Electron-gun 200 is installed in the vacuum chamber 100 and may be a plurality of electron guns.
  • the electron gun 200 includes a first electron gun 210 and a second electron gun 220.
  • the first electron gun 210 is installed on the top of the vacuum chamber 100 so that the electron beam is irradiated into the vacuum chamber 100.
  • the silicon melter 300 is disposed in a region where the electron beam is irradiated by the first electron gun 210.
  • the silicon raw material 300 may be charged with a silicon raw material in the form of particles from the raw material input part 120.
  • the raw material input portion 120 may adjust the supply amount of the silicon raw material by adjusting the inclination between the upper portion of the main chamber 100, the silicon melt portion 300.
  • the silicon melt part 300 is formed in an open shape so that the electron beam can be irradiated.
  • the silicon raw material charged into the silicon melter 300 is melted by the electron beam accelerated and integrated by the first electron gun 210 to be formed as silicon molten metal P2.
  • the first electron gun 210 may accelerate and integrate the first electron beam to have an output energy of 30 to 35 kWh / cm 2.
  • the present invention is not limited thereto, and the first electron gun 210 may have an output energy for preventing the silicon melt P2 from being unstable, such as the silicon melt P2 splashing out by an electron beam.
  • the silicon melter 300 preferably has a copper material to prevent impurities that may be generated by the material of the silicon melter 300 from flowing into the molten silicon.
  • the silicon melt part 300 having a copper material may include a flow path part which can easily control the cooling efficiency in order to prevent damage by the electron beam. A detailed description of the silicon melt part including the flow path part will be described later.
  • the one-way coagulation part 400 is disposed in a region where the second electron beam is irradiated by the second electron gun 220, and is adjacent to the silicon melting part 300.
  • the one-way solidification unit 400 may have a copper material similarly to the silicon melting part 300.
  • the one-way solidification unit 400 may continuously cast an ingot using the silicon melt (P2) and at the same time induce segregation of metal impurities to improve silicon refining and high purity polysilicon production efficiency.
  • the second electron gun 220 may accelerate and integrate the second electron beam to have an output energy of 8 to 14 kWh / cm 2.
  • the present invention is not limited thereto, and the second electron gun 220 maintains the molten state in the second electron beam and prevents the silicon melt P2 from being unstable, such as the silicon melt P2 splashes to the outside by the electron beam. It can have an output energy to.
  • FIG. 2 is a view illustrating in more detail the one-way solidification unit of FIG.
  • the one-way solidification part 400 may include a molten metal injection part 402, an inclined part 404, and an ingot guide part 406.
  • the molten metal injection part 402 is supplied with the molten silicon P2 from the molten silicon 300 to move the molten silicon to the inclined portion 404.
  • the inclined portion 404 is continuously connected to the molten metal injection portion 402, it may be formed to be inclined so as to increase the cross-sectional area of the one-way solidification portion 400 in the downward direction. That is, the inclined portion 404 may have an inclination of an acute angle with respect to the molten metal injection portion 402.
  • the molten silicon P2 supplied from the silicon melting part 300 is maintained by being irradiated with an electron beam from the second electron gun 220 shown in FIG. 1, and a part of the lower part is provided in the cooling channel 450. It cools and solidifies.
  • the molten silicon (P2) is the start of solidification in the lower portion of the molten metal injection portion 402 is solidified more tightly toward the lower side is completely solidified in the upper portion of the ingot guide portion 406.
  • the cross-sectional area of the inclined portion 404 is formed larger toward the lower direction than the cross-sectional area of the molten metal injection portion 402, thereby creating an expansion space in which the silicon molten metal P2 can expand, thereby producing the silicon molten metal ( Even if the expansion is performed during the solidification process of P2, it may be possible to prevent the occurrence of pinching in the molten metal pouring portion 402 or the inclined portion 404.
  • a lower portion 490 driven along the inner side of the one-way solidification part in the vertical direction is mounted below the one-way solidification part 400.
  • the lower portion 490 transfers the dummy cylinder 410 to be described later in the inclined portion 404 to the bottom to grow the silicon ingot to physically transport the molten silicon (P2) to the lower portion.
  • Silicon ingot manufacturing apparatus may be provided in the one-way solidification unit 400, may have a dummy cylinder 410 having a receiving portion having an accommodation space for accommodating the silicon melt therein. .
  • the dummy cylinder 410 may be fastened to an upper side of the lowering part 490 to move upward and downward along an inner side of the one-way solidifying part 400 integrally with the lowering part 490.
  • the material of the dummy cylinder 410 may be graphite having excellent thermal conductivity and good workability, and the surface of the dummy cylinder 410 may be made of a silicon carbide coating for preventing carbon contamination.
  • the material of the dummy cylinder 410 may be low density graphite. When low density graphite is used as the material of the dummy cylinder 410, the solidified silicon and the dummy cylinder 410 are easily penetrated into the pores of graphite by the capillary phenomenon of the silicon molten metal P2. It can increase the bonding strength of.
  • the dummy cylinder 410 is made of graphite, a separate cooling channel cannot be formed on the dummy cylinder 410, which may cause a problem that the heat of the silicon molten metal accommodated in the dummy cylinder 410 cannot be cooled. have.
  • the lower cooling portion 430 may be fastened between the dummy cylinder 410 and the lower portion 490 so that the heat of the molten silicon may be cooled through the dummy cylinder having excellent thermal conductivity (410). .
  • the lower cooling unit 430 is made of a copper material may be coupled to the lower side of the dummy cylinder 410 has excellent workability in the form of a screw.
  • the dummy cylinder 410 is moved in the downward direction in contact with the molten silicon (P2), and expands during the process of solidifying the silicon molten metal is moved downward along the lower portion 490.
  • the silicon melt is expanded while moving downwardly through the expansion space generated by the difference in the cross-sectional area at the boundary between the molten metal inlet 402 and the inclined portion 404. do.
  • the silicon molten metal becomes an intermediate state between the liquid and the solid at the boundary between the molten metal inlet 402 and the inclined portion 404, and the silicon molten metal P2 is moved by the lowering of the lower portion 490. ) Is completely solid below the inclined portion 404.
  • the descending speed of the dummy cylinder 410 seated on the upper side of the lowering portion 490 corresponds to the expansion size and the solidification speed due to the solidification of the silicon molten metal P2 in the lower portion of the molten metal injection portion 402. Allow the size of the created expansion space to be adjusted.
  • the silicon molten metal P2 is gradually lowered and solidified by the lowering part 490, and the lowering speed of the lowering part 490 corresponds to a volume increased by the expansion of the silicon molten metal P2.
  • the volume is adjusted to create on top of the ramp 404.
  • a region is the silicon melt P2 injected from the silicon melt 300.
  • Located in the upper portion of the molten metal injection portion 402 is a region that is continuously maintained in the molten state by the irradiation of the electron beam from the second electron gun 220.
  • the molten silicon P2 introduced from the molten silicon 300 comes into contact with the dummy cylinder 410 and is transferred downward along the inclined portion 404 and is cooled by the cooling channel 450. Cooled and solidified silicon (P4) is provided in the area.
  • b region is a boundary region between the molten metal injection portion 402 and the inclined portion 404 due to the falling of the lower portion 490 the silicon molten metal P2 supplied through the molten silicon 300 It is moved to the area that is maintained in the intermediate state of the liquid and solid below the molten metal injection portion 402. That is, the silicon (P3) in the liquid and solid coexistence state is maintained.
  • the silicon molten metal P2 introduced into the one-way solidification unit 400 is transferred from the molten metal pouring portion 402 to the inclined portion 404 by the lower portion 490, and during the process It solidifies through area a and area b and then moves to area c to completely solidify.
  • the silicon molten metal P2 reaches an intermediate state between a liquid and a solid in the region b and expands as the silicon molten metal P2 solidifies. At this time, the molten silicon P2 which is solidified through the lowering of the lowering part 490 moves to the upper portion of the inclined part 404 having a larger cross-sectional area.
  • FIG. 3 is a view showing a modified one-way solidification unit.
  • the one-way solidification unit 400 includes the inclined portion 404 connected to the lower portion of the melt input portion 402 and the melt input portion 402 and the inclined portion 404. It comprises a ingot guide portion 406 having the same cross-sectional area at the bottom of.
  • the ingot guide portion 406 is continuously connected to the lower portion of the inclined portion 404, and the ingot guide portion 406 is formed to have the same cross-sectional area, thereby solidifying along the lower portion 490 to descend
  • the silicon molten metal P2 does not leak into a space that may occur due to a cross-sectional area difference between the lower portion 490 and the inclined portion 404.
  • Such a configuration is a modified form of the one-way solidification unit 400, the lower portion of the molten metal injection portion 402 is connected to correspond to the upper portion of the inclined portion 404 and the cross-sectional area of the inclined portion 404 is lower
  • the inclined portion 404 may be applied in any form.
  • the dummy cylinder of the conventional graphite material may have a region spaced apart from a part of the contact portion while the silicon melt is solidified due to different thermal expansion coefficients of the silicon melt (P2) and graphite.
  • the solidified silicon located in these spaced areas may cause cracks in the solidified silicon.
  • the dummy cylinder 410 applied to the exemplary embodiment of the present invention may have an accommodation part 412 having an accommodation space for accommodating the molten silicon therein.
  • the dummy cylinder 410 accommodates the solidified silicon supplied with molten silicon, thereby widening the contact area between the dummy cylinder 410 and the solidified silicon, so that the dummy cylinder 410 moves downward. It is possible to prevent the formation of a space between the dummy cylinder 410 and the solidified silicon.
  • the gap between the dummy cylinder 410 and the solidified silicon is prevented, so that even if a crack occurs in the solidified silicon, the ingot may be continuously manufactured.
  • the side surface of the receiving portion 412 may be inclined so that the cross-sectional area of the receiving portion 412 can be increased in the downward direction.
  • the molten silicon is supplied to the accommodating part 412, the molten silicon is solidified in the accommodating part 412, so that the silicon solidified and accommodated in the accommodating part 412 may not be discharged to the outside. .
  • the protruding portion 411 of the receiving portion 412 prevents the solidified silicon from being discharged upward, so that the ingot continuously solidified with the solidified silicon in the receiving portion 412 is the dummy cylinder 410.
  • the protruding portion 411 of the receiving portion 412 prevents the solidified silicon from being discharged upward, so that the ingot continuously solidified with the solidified silicon in the receiving portion 412 is the dummy cylinder 410.
  • the quality of the ingot can be improved.
  • the silicon ingot manufacturing apparatus may have a groove recessed inward in the upper portion, and may include a dummy cylinder for transferring the molten silicon to the lower portion of the one-way solidification.
  • the groove is formed such that the lower portion of the groove has a larger cross-sectional area than the upper portion of the groove.
  • the solidified silicon accommodated in the groove is fixed to the lower portion of the groove and simultaneously caught on the upper portion of the groove so that the solidified silicon and the dummy cylinder are not perfectly bonded. If not, it is possible to prevent the propagation of the cracks inside the ingot during the movement of the dummy cylinder.
  • FIG. 4 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the dummy cylinder 420 applied to the silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention may have a receiving portion 422 having an inclined side unlike the embodiment of the present invention.
  • the side surface of the receiving portion 422 may be inclined to increase the cross-sectional area of the receiving portion 422 in the downward direction.
  • the side of the receiving portion 422 is inclined, so that the edge is formed in the solidified silicon less than the embodiment of the present invention can be prevented from cracking.
  • FIG. 5 is a view showing a silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the dummy cylinder 427 applied to the silicon ingot manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention may have a receiving portion 425 having a rounded side.
  • the accommodating part 425 may have a side that is rounded to protrude toward the accommodating part, but the present invention is not limited thereto, and the accommodated and solidified silicon is not discharged to the outside and cracks are generated in the solidified silicon. If the structure can be minimized can be applied.
  • the silicon ingot manufacturing apparatus includes a receiving portion having a space in which the molten silicon is accommodated and solidified, the dummy cylinder for pulling the ingot continuously produced with the silicon solidified to the receiving portion It may include.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing the outer side of the one-way solidification unit according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of FIG. 6
  • FIG. 8 schematically shows a one-way solidification unit according to another embodiment of the present invention. It is a cross section.
  • One-way solidification unit 400 may have a plurality of cooling passage portion 440 disposed on the outside.
  • the one-way solidification part 400 has a plurality of cooling flow path parts 440 to increase the surface area of the outer side of the one-way solidification part 400 to improve long-term cooling efficiency in the continuous refining process of silicon. You can.
  • the plurality of cooling channel parts 440 are formed by a plurality of slits on the outer side of the one-way solidification part 400, and the flow path of at least one cooling channel part 440 of the plurality of cooling channel parts 440.
  • the width may be greater than the remaining flow path width.
  • the at least one cooling channel portion 440 may be disposed on the outer upper portion of the one-way solidification portion.
  • the one-way solidification unit 400 includes a first cooling passage portion 451 and a second cooling passage portion 452 through which a fluid installed on the outside flows, and the first cooling passage portion (452)
  • the flow rate of the fluid flowing in the 451 may be greater than the flow rate of the fluid flowing in the second cooling channel portion 452.
  • first cooling channel part 451 may be disposed on an outer upper portion of the one-way solidification part 400.
  • the first cooling channel part 451 is disposed above the one-side solidification part 400 where the electron beam can be directly exposed, thereby cooling more fluid than the second cooling channel part 452 in the first cooling path. It can flow in the flow path portion 451 can improve the cooling rate of the outer upper portion of the one-way solidification unit 400.
  • FIG 9 is a view illustrating a state in which the fluid supply unit is disposed in the one-way solidification unit.
  • the one-way solidification unit 400 has a center of the first cooling fluid supply unit 471 and the one-way solidification unit 400 connected to the upper cooling flow path 440 based on the center of the one-way solidification unit 400. It may further include a second cooling fluid supply unit 472 connected to the cooling channel 440 of the lower side as a reference.
  • first cooling fluid supply unit 471 and the second cooling fluid supply unit 472 may be controlled by one cooler.
  • the fluid supplied to the first cooling fluid supply unit 471 and the second cooling fluid supply unit 472 may control the flow rate of the fluid by a plurality of coolers.
  • the upper cooling channel portion 440 and the lower cooling channel portion The temperature of the fluid of 440 is individually controlled to increase the cooling efficiency.
  • the one-way solidification part 400 is supplied with fluid through each of the first cooling fluid supply part 471 and the second cooling fluid supply part 472, thereby reducing the time and the path through which the fluid is supplied and discharged. Cooling efficiency can be improved.
  • the one-way solidification unit 400 may include a third cooling fluid supply unit capable of cooling the dummy cylinder of graphite material installed in the one-way solidification unit 400.

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Abstract

실리콘 잉곳 제조 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치는 상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부 및 내부에 상기 실리콘 용탕을 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 수용부를 갖는 더미실린더를 포함한다.

Description

실리콘 잉곳 제조 장치
본 출원은 실리콘 잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 실리콘 잉곳의 길이를 최대한 길게 형성하면서, 상기 실리콘 잉곳을 연속적으로 제조할 수 있는 실리콘 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
최근 국제 추세에 따라, 친환경적인 발전 방법으로서 태양광 발전이 세계적으로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 역할을 수행하는 태양 전지에서 이루어진다. 이러한 태양전지는 작은 실리콘 결정체들로 이루어진다.
태양 전지를 구성하는 실리콘의 순도는 통상 5N, 6N, 9N과 같이 표시한다. 여기서 N는 중량% 단위에서 9의 개수를 의미하며, 5N의 경우 99.999% 순도를 의미한다.
초고순도를 요구하는 반도체를 생산하는 실리콘의 경우 순도가 11N에 이른다. 그러나, 태양 전지를 구성하는 실리콘은 5~7N의 순도를 가지는 경우에도 간단한 게터링 공정 추가만으로 11N의 순도를 가지는 경우와 비슷한 광전환 효율을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있어 초고순도를 요하지 아니한다.
또한, 반도체를 생산하는 실리콘은 화학적 가스화 공정(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 제조되고 있다. 그러나, 이러한 실리콘 제조 공정은 오염물질을 대량으로 발생시키고, 생산효율이 떨어지며, 또한 생산 단가가 높은 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 태양 전지를 구성하는 실리콘은 낮은 제조 비용으로 고순도의 실리콘을 대량 생산할 수 있는 야금학적 정련공정(metallurgical Refining Process)이 활발히 개발되고 있다.
이 야금학적 정련공정은 저가/저품위의 급속급 실리콘 분말뿐 아니라 최근에는 폐/불량 태양전지, 공정 스크랩 등을 이용해서도 고순도 폴리실리콘을 제조하기 때문에 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다
태양전지용 다결정 실리콘 잉곳의 제조는 기본적으로 방향성 응고를 특징으로 하고 있다.
도가니 속에 실리콘 입자를 충진하고 이를 1420 ℃ 이상에서 용융시킨 후 실리콘의 응고열을 도가니 하부 쪽의 일정방향으로 제거하면 고화가 도가니 하부로부터 상부 쪽으로 퍼져나가는 방식이 방향성 응고 공정이다.
방향성 응고공정을 통하여 고액계면의 층분리를 형성하여 불순물을 액상쪽으로 유도하여 불순물이 잉곳의 상부방향으로 포집될 수 있다.
고순도의 태양광 발전용 실리콘의 야금학적 정련법은 진공 정련법, 산화 처리법, 일방향 응고 정련법 등의 대표적인 공정이 개발되어 있다.
이들 야금학적 정련법들 중에서 진공 정련법과 일방향 응고 정련법 등과 같은 금속 용융법에 의한 실리콘 제조 기술이 특성 제어가 용이하고, 조업중 불순물에 의한 오염이 적어 활발한 연구가 진행되고 있다.
여기서, 진공 정련법이란 통상적으로 금속원료를 용융시킨 후 용융된 금속으로부터 실리콘에 비해 증기압이 높은 불순물을 제거하는 정련공정을 말하며, 대표적인 비금속 불순물인 Al, Ca, Mn, P 등을 제거할 수 있다.
또한, 일방향 응고 정련법은 실리콘이 액체에서 고체로 상변이 중에 고체-액체 계면을 따라 불순물을 액체로 편석(Segregation)시키는 정련공정을 말하며, 편석계수가 작아 편석이 잘 되는 대표적인 금속 불순물인 Fe, Ti, Cr, Cu, Ni등을 제거할 수 있다.
한편, 종래에는 태양전지용 잉곳을 회분 방식으로 1회씩 생산하여 왔으며, 이러한 회분 방식에 의한 잉곳의 크기를 확대하는 방향으로 연구가 추진되기도 하였으나, 잉곳의 크기를 무한정 확대하는 것은 곤란하여 태양전지용 잉곳의 대량생산에 문제점이 있었다.
본 출원은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지용 잉곳을 연속적으로 대량생산할 수 있는 실리콘 잉곳 제조 장치를 제공하고자 한다.
또한, 전자빔 용융법에 기초하여 실리콘을 용융함에 있어서, 전자빔에 의해 파손되는 것을 방지하며 연속적으로 실리콘을 용융할 수 있는 실리콘 잉곳 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부 및 상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 내부에 상기 실리콘 용탕을 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 수용부를 갖는 더미실린더를 포함하는 실리콘 잉곳 제조 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 수용부의 측면은 하방향으로 상기 수용부의 단면적이 증가되도록 경사질 수 있다.
또한, 상기 수용부의 측면은 라운드될 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 하방향으로 단면적이 증가하도록 경사지게 형성된 경사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 더미실린더는 상기 실리콘 용탕이 상기 경사부에서 응고되는 속도와 대응되는 속도로 하강할 수 있다.
또한, 상기 더미실린더는 흑연재질을 가질 수 있다.
또한, 상기 더미실린더의 표면은 코팅 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버, 상기 진공 챔버에 구비되며, 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun), 상기 진공 챔버 내에 구비되며, 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부, 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부, 상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부, 상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부 및 상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 상부에 내측으로 함몰된 홈을 가지고, 상기 실리콘 용탕을 일방향 응고부의 하부로 이송시키는 더미실린더를 포함하되, 상기 홈은 상기 홈의 상부보다 하부가 단면적이 큰 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부를 갖고, 상기 복수의 냉각유로부 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 클 수 있다.
또한, 상기 적어도 어느 하나의 냉각유로부는 상기 일방향 응고부의 외측 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 상기 일방향 응고부의 중심을 기준으로 상측의 냉각유로부에 연결되는 제 1 유체공급부와 상기 일방향 응고부의 중심을 기준으로 하측의 냉각유로부에 연결되는 제 2 유체공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 구리 재질을 가질 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부의 상단부의 단면적은 상부 방향으로 증가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부 및 상기 실리콘 용탕이 수용되어 응고되는 공간을 갖는 수용부를 포함하며, 상기 수용부에 응고된 실리콘과 연속적으로 제조된 잉곳을 잡아당기는 더미실린더를 포함하는 실리콘 잉곳 제조 장치가 제공될 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 더미실린더는 일방향 응고부에서 응고된 실리콘을 수용할 수 있는 홈을 가짐으로써, 더미실린더가 하방향으로 이동하는 경우 잉곳의 하단과 더미실린더의 상단 사이가 벌어지는 것을 방지할 수 있다.
또한, 잉곳과 더미실린더 사이가 벌어지게 되는 부분에서 발생할 수 있는 크랙의 전파를 방지할 수 있다.
이에 따라, 제조되는 잉곳의 크랙의 전파를 방지함으로써, 잉곳의 길이를 종래보다 길게 제작할 수 있게 되어 제조 단가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
도 2는 도 1의 일방향 응고부를 보다 자세히 나타낸 도이다.
도 3은 변형된 일방향 응고부를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일방향 응고부의 외측을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일방향 응고부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 일방향 응고부에 유체 공급부가 배치된 모습을 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래 실리콘 잉곳 제조 장치와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
도 1을 참조하면, 실리콘 잉곳 제조 장치는 진공 챔버(100), 전자총(200), 실리콘 용융부(300) 및 일방향 응고부(400)를 포함한다.
진공 챔버(100)는 후술할 실리콘 용탕 내에 불순물이 증발될 수 있도록 내부에 진공 분위기를 유지한다. 상기 진공 챔버(100) 내부의 압력은 대략 10-5 torr 일 수 있다.
상기 진공 챔버(100)의 상단에는 입자 형태의 실리콘 원료물질이 공급될 수 있는 원료투입부(120)가 설치된다.
상기 원료투입부(120) 내부는 후술할 전자빔에 의한 열에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 냉각수로가 설치될 수 있다.
또한, 상기 원료투입부(120)는 원료 공급라인(122)과 원료 공급부의 투입구(124)를 포함할 수 있고, 상기 원료 공급부의 투입구(124)는 후술할 실리콘 용융부(300)에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치와 각도를 조절할 수 있다.
전자총(Electron-gun)(200)은 상기 진공 챔버(100) 내에 설치되며, 복수 개일 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 전자총(200)은 제 1 전자총(210) 및 제 2 전자총(220)을 포함한다.
상기 제 1 전자총(210)은 전자빔이 상기 진공 챔버(100) 내부로 조사되도록 상기 진공 챔버(100)의 상단에 설치된다.
실리콘 용융부(300)는 상기 제 1 전자총(210)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치된다.
상기 실리콘 용융부(300)에는 상기 원료투입부(120)로부터 입자 형태의 실리콘 원료물질이 장입될 수 있다.
한편, 상기 원료투입부(120)는 상기 메인 챔버(100) 상단에서부터 상기 실리콘 용융부(300) 사이의 경사를 조절함으로써, 상기 실리콘 원료물질의 공급량을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(300)는 전자빔이 조사될 수 있도록 상부가 개방된 형태로 이루어진다.
이에 따라, 상기 실리콘 용융부(300)에 장입된 상기 실리콘 원료물질은 상기 제 1 전자총(210)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융되어 실리콘 용탕(P2)으로 형성된다.
한편, 상기 제 1 전자총(210)은 30~35 kWh/cm2의 출력 에너지를 갖도록 제 1 전자빔을 가속 및 집적할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제 1 전자총(210)는 전자빔에 의해 상기 실리콘 용탕(P2)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(300)는 상기 실리콘 용융부(300) 자체 재질에 의하여 발생할 수 있는 불순물이 실리콘 용탕에 유입되는 것을 방지하기 위하여 구리 재질을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 구리 재질을 가지는 실리콘용융부(300)는 전자빔에 의하여 파손되는 것을 방지하기 위하여 냉각 효율을 용이하게 제어할 수 있는 유로부를 포함할 수 있다. 상기 유로부를 포함하는 상기 실리콘 용융부에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
일방향 응고부(400)는 상기 제 2전자총(220)에 의한 제 2 전자빔이 조사되는 영역에 배치되며, 상기 실리콘 용융부(300)와 인접하게 된다.
또한, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 실리콘 용융부(300)와 마찬가지로 구리 재질을 가질 수 있다.
상기 일방향 응고부(400)는 상기 실리콘 용탕(P2)을 이용하여 잉곳을 연속적으로 주조함과 동시에 금속 불순물의 편석을 유도하여 실리콘 정련 및 고순도 폴리실리콘 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제 2 전자총(220)은 8~14 kWh/cm2의 출력 에너지를 갖도록 제 2 전자빔을 가속 및 집적할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제 2 전자총(220)는 상기 제 2 전자빔에 용융 상태를 유지하고 전자빔에 의해 상기 실리콘 용탕(P2)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
도 2 는 도 1의 일방향 응고부를 보다 자세히 나타낸 도이다.
도 2를 참조하면, 일방향 응고부(400)는 용탕투입부(402), 경사부(404) 및 잉곳안내부(406)를 포함할 수 있다.
상기 용탕투입부(402)는 상기 실리콘 용융부(300)로부터 상기 실리콘 용탕(P2)이 투입되어 상기 실리콘 용탕을 상기 경사부(404)로 이동시킨다.
상기 경사부(404)는 상기 용탕투입부(402)와 연속적으로 연결되며, 하방향으로 상기 일방향 응고부(400)의 단면적이 증가하도록 경사지게 형성될 수 있다. 즉, 상기 경사부(404)는 상기 용탕투입부(402)를 기준으로 예각의 기울기를 가질 수 있다.
이때, 상기 실리콘 용융부(300)로부터 공급된 상기 실리콘용탕(P2)은 도 1에 도시된 제 2 전자총(220)로부터 전자빔이 조사되어 용융상태가 유지되며, 하측 일부는 냉각채널(450)에 의해서 냉각되어 응고된다.
여기서, 상기 실리콘 용탕(P2)은 상기 용탕투입부(402) 하부에서 응고의 시작이 일어나며 하부로 갈수록 단단하게 응고되어 상기 잉곳안내부(406)의 상부에서 완전히 응고된다.
이때, 상기 용탕투입부(402)의 단면적 보다 상기 경사부(404)의 단면적이 하부방향으로 갈수록 더 크게 형성됨으로써, 상기 실리콘 용탕(P2)이 팽창할 수 있는 팽창공간이 생성되어 상기 실리콘 용탕(P2)이 응고되는 과정 중에 팽창을 하여도 상기 용탕투입부(402) 또는 상기 경사부(404)에 끼임 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부(400)의 하부에는 상하 방향으로 상기 일방향 응고부의 내측을 따라 구동되는 하강부(490)가 장착된다.
상기 하강부(490)는 상기 경사부(404) 내부에서, 후술하는 더미실린더(410)를 하부로 이송시켜 실리콘 잉곳을 성장시키면서 물리적으로 상기 실리콘용탕(P2)을 하부로 이송시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치는 상기 일방향 응고부(400) 내부에 구비되며, 내부에 상기 실리콘 용탕을 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 수용부를 갖는 더미실린더(410)를 가질 수 있다.
그리고, 상기 더미실린더(410)는 상기 하강부(490) 상 측에 체결되어 상기 하강부(490)와 일체로 상기 일방향 응고부(400) 내측을 따라 상하방향으로 이동할 수 있다. 더미실린더(410)의 재질은 열전도율이 우수하고 가공성이 좋은 흑연일 수 있고, 더미실린더(410)의 표면은 탄소오염을 방지하기 위한 탄화규소 코팅이 이루어 질 수 있다. 또한, 더미실린더(410)의 재질로는 저밀도 그라파이트일 수 있다. 상기 더미실린더(410)의 재질로 저밀도 그라파이트를 사용할 경우, 상기 실리콘용탕(P2)의 모세관현상에 의해서 그라파이트의 기공 안으로 상기 실리콘용탕(P2)의 침투를 쉽게 하여 응고된 실리콘과 더미실린더(410)의 접합강도를 증가시킬 수 있다.
한편, 흑연으로 더미실린더(410)가 이루어질 경우, 상기 더미실린더(410)상에는 별도의 냉각채널을 형성할 수 없어 상기 더미실린더(410)내에 수용된 실리콘 용탕의 열을 냉각 시킬 수 없는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 실리콘 용탕의 열이 열 전도율이 우수한 더미실린더를 거쳐(410) 냉각이 이루어질 수 있도록, 상기 더미실린더(410)와 하강부(490)사이에 하부 냉각부(430)를 체결할 수 있다.
상기 하부 냉각부(430)는 구리재질로 이루어져 가공성이 우수한 상기 더미실린더(410)의 하측에 나사형태로 결합될 수 있다.
한편, 상기 더미실린더(410)는 상기 실리콘 용탕(P2)과 접촉하여 하부방향으로 이동을 하게 되며, 상기 하강부(490)를 따라 하부로 이동되는 상기 실리콘 용탕이 응고되는 과정 중에 팽창을 하게 된다. 이와 같이, 상기 용탕투입부(402)와 상기 경사부(404)의 경계부분에서 단면적의 차이에 의해 생성된 팽창공간을 통해 상기 실리콘용탕이 상기 용탕투입부(402)의 하부로 이동하면서 팽창하게 된다. 이때, 상기 실리콘 용탕은 상기 용탕투입부(402)과 상기 경사부(404)의 경계부분에서 액체와 고체의 중간상태가 되며, 상기 하강부(490)의 하강에 의해 이동되는 상기 실리콘 용탕(P2)은 상기 경사부(404) 하측에서 완전히 고체가 된다.
이와 함께, 상기 하강부(490)의 상측에 안착된 더미실린더(410)의 하강속도는 상기 실리콘 용탕(P2)의 응고로 인한 팽창크기 및 응고속도에 대응하여 용탕투입부(402)의 하부에 생성되는 팽창공간의 크기가 조절되도록 한다.
즉, 상기 실리콘 용탕(P2)은 상기 하강부(490)에 의해서 서서히 하강됨과 동시에 응고되며, 상기 하강부(490)의 하강속도는 상기 실리콘 용탕의(P2) 팽창에 의해 증가되는 부피에 대응하는 부피를 상기 경사부(404)의 상부에서 생성할 수 있도록 조절된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 일방향응고부(400)에 투입된 상기 실리콘 용탕(P2)을 세 개의 영역으로 나누어서 설명하면, a영역은 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입된 상기 실리콘 용탕(P2)이 상기 용탕투입부(402)의 상부에 위치하며 상기 제 2 전자총(220)으로부터 전자빔을 조사받아 용융상태를 지속적으로 유지되는 영역이다.
그리고 c영역은 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 더미실린더(410)에 접촉되어 상기 경사부(404)를 따라 하부방향으로 이송되며 상기 냉각채널(450)에 의해 냉각되어 응고된 고체상태의 실리콘(P4)이 구비되는 영역이다.
한편, b영역은 상기 실리콘용융부(300)를 통해서 공급된 상기 실리콘 용탕(P2)이 상기 하강부(490)의 하강으로 인해서 상기 용탕투입부(402)와 상기 경사부(404)의 경계영역으로 이동되어 상기 용탕투입부(402)의 하측에서 액체와 고체의 중간상태로 유지되는 영역이다. 즉, 액체와 고체 공존상태의 실리콘(P3)이 유지되는 것이다.
이와 같이, 상기 일방향응고부(400)의 내부에 투입된 상기 실리콘 용탕(P2)은 상기 하강부(490)에 의해 상기 용탕투입부(402)에서부터 상기 경사부(404)로 이송되며 이 과정 중에 상기 a영역 및 b영역을 거치면서 응고된 후 c영역으로 이동되어 완전히 응고된다.
상기 실리콘 용탕(P2)은 상기 b영역에서 액체와 고체의 중간상태에 이르게 되며 상기 실리콘 용탕(P2)이 응고되면서 팽창을 하게 된다. 이때, 상기 하강부(490)의 하강을 통해 응고가 되고 있는 상기 실리콘용탕(P2)은 단면적이 더 넓은 상기 경사부(404)의 상부로 이동하게 된다.
이와 같이, 응고되고 있는 상기 공존상태의 실리콘(P3)이 상기 경사부(404)의 상부로 이동되면, 단면적이 상기 용탕투입부(402)의 단면적보다 더 커지기 때문에 팽창공간이 생성되며 상기 실리콘 용탕(P2)이 팽창을 하여도 생성된 팽창공간에 의해서 상기 경사부(404)의 측벽에 압력을 가하지 않게 된다.
본 도면에서 상기 일방향응고부(400) 내부에서 응고되고 있는 상기 실리콘용탕(P2)의 응고상태에 따라서 다르게 도시하였지만 이는 발명을 쉽게 이해하기 위하기 위함이다. 사실은 각각의 상태에 따른 실리콘(P2, P3, P4)는 모두 동일하며 연속적으로 구성되어 있다.
도 3은 변형된 일방향 응고부를 나타낸 도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 일방향응고부(400)는 상기 용탕투입부(402) 및 상기 용탕투입부(402)의 하부에 연결된 상기 경사부(404)로 구성되며 상기 경사부(404)의 하부에 동일한 단면적을 가지는 잉곳안내부(406)를 포함하여 구성된다.
상기 잉곳안내부(406)는 상기 경사부(404)의 하부에 연속적으로 연결되며, 상기 잉곳안내부(406)가 동일한 단면적을 가지도록 형성됨으로써, 상기 하강부(490)를 따라 응고되어 하강하는 상기 실리콘 용탕(P2)이 상기 하강부(490)와 상기 경사부(404)와의 단면적 차이에서 발생할 수 있는 공간으로 누출되지 않는다.
이와 같은 구성은 상기 일방향응고부(400)의 변형된 형태로, 상기 용탕투입부(402)의 하부가 상기 경사부(404)의 상부에 대응하여 연결되며 상기 경사부(404)의 단면적이 하부방향을 따라서 증가하도록 구성되면 상기 경사부(404)는 어떤 형태로든 적용이 가능하다.
한편, 종래의 흑연 재질의 더미실린더는 실리콘 용탕(P2)과 흑연의 열팽창 계수가 달라 실리콘 용탕이 응고되면서 접촉하는 부분 중 일부와 이격된 영역이 존재할 수 있다.
이러한 이격된 영역에 위치하는 응고된 실리콘은 응고된 실리콘 내부에 크랙(Crack)이 발생할 수 있다.
특히, 응고된 실리콘이 안착된 더미실린더가 하방향으로 이동함에 따라 연속적으로 성장하는 잉곳 내부에 크랙이 전파될 우려가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 적용되는 더미실린더(410)는 내부에 상기 실리콘 용탕을 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 수용부(412)를 가질 수 있다.
이처럼, 상기 더미실린더(410)는 실리콘 용탕이 공급되어 응고된 실리콘을 수용함으로써, 상기 더미실린더(410)와 응고된 실리콘의 접촉 면적을 넓힐 수 있게 되어 상기 더미실린더(410)가 하방향으로 이동 시 상기 더미실린더(410)와 응고된 실리콘 사이에 공간이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 더미실린더(410)와 응고된 실리콘 사이가 이격 되는 것을 방지함으로써, 응고된 실리콘 내부에 크랙이 발생하더라도 연속적으로 잉곳 제조를 할 수 있다.
그리고, 상기 수용부(412)의 측면은 하방향으로 상기 수용부(412)의 단면적이 증가될 수 있도록 경사질 수 있다.
이에 따라, 상기 수용부(412)에 실리콘 용탕이 공급된 후 상기 수용부(412) 내에서 실리콘 용탕이 응고됨으로써, 상기 수용부(412)에 수용되어 응고된 실리콘은 외부로 배출될 수 없게 된다.
즉, 상기 수용부(412)의 돌출부(411)는 응고된 실리콘이 상방향으로 배출될 수 없게 함으로써, 상기 수용부(412) 내에 응고된 실리콘과 연속적으로 응고된 잉곳은 상기 더미실린더(410)가 하방향으로 이동 시 상기 더미실린더(410) 상측에서 성장하는 잉곳과 더미실린더가 이격 되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라, 상기 실리콘 용탕(P2)에 의해 제조된 잉곳 내부의 크랙이 전파되는 것을 방지하게 됨으로써, 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래 제조된 잉곳에 비하여 잉곳의 길이를 더 길게 제조하게 되어 실리콘 잉곳의 제작비용을 절감할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치는 상부에 내측으로 함몰된 홈을 가지고, 상기 실리콘 용탕을 일방향 응고부의 하부로 이송시키는 더미실린더를 포함할 수 있다.
상기 홈은 상기 홈의 상부보다 하부가 단면적이 크도록 형성된다.
이와 같이, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치는 홈에 수용되어 응고된 실리콘이 상기 홈의 하부에 고정되며 동시에 상기 홈의 상부에 걸리게 됨으로써, 응고된 실리콘과 더미실린더가 완벽한 접합이 되지 않더라도 더미실린더의 이동 시 잉곳 내부의 크랙이 전파되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치에 적용되는 더미실린더(420)는 본 발명의 일 실시 예와 달리 경사진 측면을 가지는 수용부(422)를 가질 수 있다.
상기 수용부(422)의 측면은 하방향으로 상기 수용부(422)의 단면적이 증가되도록 경사질 수 있다.
이에 따라, 상기 수용부(422)의 측면이 경사지게 됨으로써, 본 발명의 일 실시예에 비하여 응고된 실리콘에 모서리진 부분이 적게 형성되어 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치를 나타낸 도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조 장치에 적용되는 더미실린더(427)는 라운드 된 측면을 가지는 수용부(425)를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 수용부(425)의 측면이 경사지게 됨으로써, 본 발명의 다른 실시예에 비하여 응고된 실리콘에 모서리진 부분이 적게 형성되어 크랙이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 수용부(425)는 수용부 내부를 향하여 돌출되도록 라운드된 측면을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 수용되어 응고된 실리콘이 외측으로 배출되지 않으며 동시에 응고된 실리콘에 크랙이 발생되는 것을 최소화할 수 있는 구조라면 적용될 수 있다.
이러한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실리콘 잉곳 제조 장치는 상기 실리콘 용탕이 수용되어 응고되는 공간을 갖는 수용부를 포함하며, 상기 수용부에 응고된 실리콘과 연속적으로 제조된 잉곳을 잡아당기는 더미실린더를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일방향 응고부의 외측을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6의 단면도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일방향 응고부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 일방향 응고부(400)는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부(440)를 가질 수 있다.
상기 일방향 응고부(400)는 복수의 냉각유로부(440)를 가짐으로써, 상기 일방향 응고부(400)의 외측의 표면적을 증가시키게 되어 연속적으로 진행되는 실리콘의 정련 과정에서 장시간의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 복수의 냉각유로부(440)는 상기 일방향 응고부(400)의 외측에 복수의 슬릿에 의해 형성되며, 상기 복수의 냉각유로부(440) 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부(440)의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 클 수 있다.
또한 상기 적어도 어느 하나의 냉각유로부(440)는 상기 일방향 응고부의 외측 상부에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 일방향 응고부(400)는 외측에 설치된 유체가 흐르는 제 1 냉각유로부(451)와 제 2 냉각유로부(452)를 포함하고, 상기 제 1 냉각유로부(451)에 흐르는 유체의 유량은 상기 제 2 냉각유로부(452)에 흐르는 유체의 유량보다 많을 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각유로부(451)는 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 냉각유로부(451)는 전자빔이 직접적으로 노출될 수 있는 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부에 배치됨으로써, 상기 제 2 냉각유로부(452)보다 많은 유체를 제 1 냉각유로부(451)에 흐를 수 있게 되어 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부의 냉각 속도를 향상시킬 수 있다.
도 9는 일방향 응고부에 유체 공급부가 배치된 모습을 나타내는 도면이다.
상기 일방향 응고부(400)는 상기 일방향 응고부(400)의 중심을 기준으로 상측의 냉각유로부(440)에 연결되는 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 일방향 응고부(400)의 중심을 기준으로 하측의 냉각유로부(440)에 연결되는 제 2 냉각유체공급부(472)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)는 도면에 도시되지 않았지만, 하나의 냉각기(Chiller)에 의해 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 하나의 냉각기를 통하여 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체를 제어함으로써, 설치 및 유지비용을 절감할 수 있다.
한편, 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체는 복수 개의 냉각기에 의해 유체의 유량을 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체의 유량을 개별적으로 제어함으로써, 상기 상측의 냉각유로부(440) 및 상기 하측의 냉각유로부(440)의 유체의 온도가 개별적으로 제어되어 냉각효율을 높일 수 있다. 이와 같이, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472) 각각을 통하여 유체가 공급됨으로써, 유체가 공급되어 배출되는 시간과 경로를 줄이게 되어 냉각효율을 높일 수 있다.
한편, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 일방향 응고부(400)에 설치된 흑연 재질의 더미실린더를 냉각시킬 수 있는 제 3 냉각유체공급부를 포함할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (14)

  1. 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부; 및
    상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 내부에 상기 실리콘 용탕을 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 수용부를 갖는 더미실린더;
    를 포함하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수용부의 측면은
    하방향으로 상기 수용부의 단면적이 증가되도록 경사진 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 수용부의 측면은
    라운드된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는
    하방향으로 단면적이 증가하도록 경사지게 형성된 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 더미실린더는 상기 실리콘 용탕이 상기 경사부에서 응고되는 속도와 대응되는 속도로 하강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 더미실린더는 상기 실리콘 용탕이 상기 경사부에서 응고되는 속도와 대응되는 속도로 하강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 더미실린더의 표면은 코팅 층을 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  8. 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에 구비되며, 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun);
    상기 진공 챔버 내에 구비되며, 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부;
    상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부;
    상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부;
    상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부; 및
    상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 상부에 내측으로 함몰된 홈을 가지고, 상기 실리콘 용탕을 일방향 응고부의 하부로 이송시키는 더미실린더를 포함하되,
    상기 홈은 상기 홈의 상부보다 하부가 단면적이 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부를 갖고,
    상기 복수의 냉각유로부 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 적어도 어느 하나의 냉각유로부는 상기 일방향 응고부의 외측 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는
    상기 일방향 응고부의 중심을 기준으로 상측의 냉각유로부에 연결되는 제 1 유체공급부와
    상기 일방향 응고부의 중심을 기준으로 하측의 냉각유로부에 연결되는 제 2 유체공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는
    구리 재질을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 일방향 응고부의 상단부의 단면적은
    상부 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
  14. 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부; 및
    상기 일방향 응고부 내부에 구비되며, 상기 실리콘 용탕이 수용되어 응고되는 공간을 갖는 수용부를 포함하며, 상기 수용부에 응고된 실리콘과 연속적으로 제조된 잉곳을 잡아당기는 더미실린더
    를 포함하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
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