KR101025652B1 - 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 태양전지용 결정 제조방법은, 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 이후, 석영 도가니에 수용된 잔류 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조하는 방법에 있어서, (a) 상기 석영 도가니를 감싸는 히터를 이용하여 상기 잔류 융액을 액상으로 유지하는 단계; (b) 상기 석영 도가니에 수용된 잔류 융액에 시드를 디핑시키는 단계; 및 (c) 상기 잔류 융액 내에 일방향성 응고가 가능한 상하 온도 구배가 형성될 수 있도록 히터의 파워를 서서히 감소시키면서 석영 도가니를 히터의 외부로 서서히 인출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, CZ 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 후 잔류하는 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조할 수 있다. 또한, 잔류 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조하는 과정이 단결정 잉곳 성장이 완료된 후 연속적으로 진행된다. 따라서, 태양전지용 결정을 경제적으로 제조할 수 있고, 웨이퍼용 단결정의 생산에만 사용되던 단결정 제조장치의 효용성을 증대시킬 수 있다.
쵸크랄스키 법, 태양전지용 결정, 일방향성 응고, 재활용, 잔류 융액
Description
본 발명은 잔류 융액의 재활용 방안에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키 법을 이용하여 단결정 잉곳을 제조한 후 잔류하는 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조할 수 있는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 디바이스 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 단결정 잉곳은 주로 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법에 의해 제조된다. CZ 법에 의하여 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니에 충진된 실리콘 원료를 히터로 가열하여 용융시킨 후 융액(melt)에 시드(seed)를 디핑시켰다가 상부로 서서히 인상함으로써 고액 계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시킨다.
CZ 법에 의하여 단결정 잉곳의 성장이 완료된 이후에는 석영 도가니 내에 일정량의 잔류 융액이 남게 된다. 이 잔류 융액은 고온 상태에 있으므로 일정 시간 동안 융액을 냉각하여 융액의 고화가 완료된 후 단결정 잉곳 제조장치에서 융액 고화물을 분리하게 된다. 분리된 융액 고화물은 고순도의 반도체급 실리콘 원료로 재 사용하기에는 한계가 있다. 따라서 종래에는 융액 고화물의 재처리 과정에 대한 번거로움과 비경제성으로 융액 고화물을 재활용하지 못하고 폐기하는 것이 일반적이었다.
한편, 최근 반도체 디바이스에 대한 수요 증가와 더불어 태양전지의 관심이 높아짐에 따라 실리콘 원료의 부족현상이 초래되고 있다. 이로 인해 실리콘 원료의 가격이 기하급수적으로 상승하고 있다. 이에 따라, CZ 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장 완료 후 잔류하는 융액을 태양전지용 실리콘으로 재활용할 수 있는 방안에 대한 관심이 증가하고 있다.
더불어, 잉곳(웨이퍼)의 대구경화에 따라 석영 도가니의 용량은 점점 증대되고 장치가 대형화되는 추세에 있다. 따라서, 한번의 성장 공정에 투입되는 실리콘 원료의 양이 늘어나 성장 완료 후 잔류하는 융액의 양은 더 늘어나고 있다.
도 1은 단결정 잉곳의 직경에 따라 예상되는 잔류 융액의 양을 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳의 성장 시 잔류하는 융액의 양은 단결정의 구경이 확장됨에 따라 비례적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 잉곳 직경이 200mm일 경우 잔류 융액의 양은 20kg이지만 잉곳 직경이 300mm로 증가하면 잔류 융액의 양은 40kg으로 증가하고, 잉곳 직경이 450mm가 되면 잔류 융액의 양은 70kg에 이르게 된다. 따라서, 본 발명이 속한 기술분야에서는 단결정 잉곳의 성장 완료 후 잔류하는 융액을 재활용할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, CZ 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 후 잔류하는 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 성장시킬 수 있는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법은, 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 이후, 석영 도가니에 수용된 잔류 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조하는 방법에 있어서, (a) 상기 석영 도가니를 감싸는 히터를 이용하여 상기 잔류 융액을 액상으로 유지하는 단계; (b) 상기 석영 도가니에 수용된 잔류 융액에 시드를 디핑시키는 단계; 및 (c) 상기 잔류 융액 내에 일방향성 응고가 가능한 상하 온도 구배가 형성될 수 있도록 히터의 파워를 서서히 감소시키면서 석영 도가니를 히터의 외부로 서서히 인출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 (a) 단계는, 상기 석영 도가니를 히터 내에 위치시킨 상태에서 잔류 융액을 가열하는 단계이다.
바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 상기 석영 도가니를 히터의 위쪽 방향으로 인출한다.
바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 상기 히터의 파워는 일정한 레벨까지 비례 적으로 감소시키고, 상기 일정한 레벨이 되면 히터를 턴-오프시킨다.
바람직하게, 상기 (c) 단계에서, 상기 잔류 융액의 결정화가 상부에서 하부로 전파된다.
본 발명에 따르면, CZ 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 후 잔류하는 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조할 수 있다. 또한, 잔류 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조하는 과정이 단결정 잉곳 성장이 완료된 후 연속적으로 진행된다. 따라서, 태양전지용 결정을 경제적으로 제조할 수 있고, 웨이퍼용 단결정의 생산에만 사용되던 단결정 제조장치의 효용성을 증대시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자의 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 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.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법의 실시를 위해 사용되는 단결정 잉곳 제조장치의 일부 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 단결정 잉곳 제조장치는, 다결정 실리콘과 불순물 등의 실리콘 원료가 고온으로 용융된 융액(M)이 수용되는 석영 도가니(10), 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며 석영 도가니(10)를 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(20), 상기 도가니 하우징(20) 하단에 설치되어 하우징(20)과 함께 석영 도가니(10)를 회전시키면서 석영 도가니(10)를 상승 또는 하강시키는 도가니 회전수단(30), 상기 도가니 하우징(20)의 측벽으로부터 일정 거리 이격되어 석영 도가니(10)를 가열하는 히터(40), 상기 히터(40)의 외곽에 설치되어 히터(40)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50) 및 종자결정인 시드(seed)를 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 융액(M)으로부터 단결정 잉곳(IG)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상하는 단결정 인상수단(60)을 포함한다.
또한, 상기 단결정 잉곳 제조장치는 도면에 도시된 구성 이외에도, 고액 계면의 온도구배 제어를 위해 잉곳(IG)으로부터 방출되는 열의 외부 방출을 차폐하고 융액(M)과 멜트 갭을 형성하는 열실드 수단, 단결정 잉곳 제조장치 내로 불활성 가스(예컨대, Ar 가스)를 공급하는 불활성 가스 공급수단 등을 포함한다.
이러한 단결정 잉곳 제조장치의 각 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술분야에서 잘 알려진 CZ 법을 이용한 단결정 잉곳 제조장치의 통상적인 구성 요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법은, 단결정 잉곳(IG)의 성장이 완료된 이후, 단결정 잉곳 제조장치에서 인-슈트(in-situ)로 석영 도가니(10)에 수용된 잔류 융액(M)을 재활용하여 태양전지용 결정을 성장시키는 방법이다.
이하, 본 발명에 따른 태양전지용 결정 제조방법을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3 및 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법을 설명하기 위해 도시한 공정도들이고, 도 5는 시드 디핑 후의 잔류 융액 내 원자배열 형태를 개략적으로 보인 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 태양전지용 결정의 성장 제어 인자인 히터 파워의 시간별 변화를 보인 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지용 결정 제조방법은, 먼저, 단결정 잉곳(IG)의 성장이 완료되면, 단결정 잉곳 제조장치로부터 성장된 단결정 잉곳(IG)을 분리시킨다.
그런 다음, 도 3에 도시된 바와 같이, 도가니 회전수단(도 1의 30참조)을 이용하여 석영 도가니(10)의 위치를 조절함으로써 히터(10)의 상단과 하단 사이에 석영 도가니(10)가 위치될 수 있도록 한다. 일 예로, 석영 도가니(10)의 상단이 히터(40)의 상단으로부터 100mm 하부에 있도록 석영 도가니(10)의 위치를 조절한다.
위와 같은 상태에서, 히터(40)를 이용하여 석영 도가니(10)에 잔류하는 융액(M)을 가열하여 융액을 액상 상태로 유지시킨다. 이어서, 단결정 인상수단(도 1의 60참조)을 이용하여 잔류 융액(M)에 시드(S)를 디핑시킨다. 시드(S)의 디핑 시 간은 시드(S)와 잔류 융액(M) 사이의 열적 평형 상태를 형성할 수 있을 정도로 설정한다. 예컨대, 시드(S)의 디핑 시간은 30분으로 설정한다.
잔류 융액(M)에 시드(S)가 디핑되면, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 잔류 융액(M) 내의 원자분포는 불규칙한 양상을 보인다. 잔류 융액(M)은 액상 상태를 유지하고 있으므로 잔류 융액(M) 내의 원자가 불규칙하게 유동을 하기 때문이다.
시드(S)가 잔류 융액(M)에 디핑된 후 일정 시간이 경과되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 석영 도가니(10)를 상부로 서서히 이동시켜 석영 도가니(10)를 히터(40)의 밖으로 서서히 인출한다. 일 예로, 석영 도가니(10)의 상단이 히터(40)의 상단으로부터 200mm 상부에 위치될 때까지 석영 도가니(10)의 위치를 이동시킨다. 또한, 석영 도가니(10)를 상부로 서서히 이동시키는 것과 연동하여 히터(40)의 파워를 서서히 감소시킨다.
그러면, 잔류 융액(M)에는 일방향성 응고(directional solidification)가 이루어질 수 있는 상하 온도구배가 형성된다. 즉, 잔류 융액(M)의 상부 온도가 잔류 융액(M)의 하부 온도보다 상대적으로 낮은 상태가 된다.
석영 도가니(10)가 히터(40) 외부로 인출되는 과정에서 잔류 융액(M)에 위와 같은 상하 온도구배가 형성되면, 잔류 융액(M)의 표면부터 과냉각 상태가 되면서 잔류 융액(M)의 결정화가 시작된다. 이 때, 잔류 융액(M)의 표면에는 단결정으로 이루어진 시드(S)가 디핑된 상태를 유지하고 있으므로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 시드(S)와 접촉하는 융액 부위부터 원자가 규칙적으로 배열되면서 융액의 결정화가 서서히 진행된다.
이러한 융액의 결정화는 시간이 지남에 따라 잔류 융액(M)의 하부로 서서히 전파되며, 일정한 시간이 경과되면 잔류 융액(M) 전체가 규칙적인 원자배열을 갖는 결정으로 변화된다. 이렇게 제조된 결정은 결정성이 우수하고 불순물 함량이 적어 태양전지 제조용으로 활용이 가능하며, 슬라이싱을 통해 결정을 가공하면 태양전지용 기판의 모체가 되는 태양전지용 블록의 제조가 가능해진다.
본 발명에서, 잔류 융액(M)의 결정화 시 석영 도가니(10)의 상승 속도와 히터(40) 파워의 감소 속도는 석영 도가니(10)가 히터(40) 외부로 인출되면서 잔류 융액(M)에서 일방향성 응고가 이루어질 수 있는 상하 온도구배가 자연스럽게 형성될 수 있도록 하는 조건으로 설정한다.
일 예로, 석영 도가니(10)는 7.5mm/30min의 속도로 상승시키고, 히터(40)의 파워는 도 6에 도시된 바와 같이 최초의 히터(40) 파워를 100으로 보았을 때 20시간 동안 히터(40) 파워를 20으로 감소시키고, 그 이후에는 히터(40)의 파워를 턴-오프시켜 잔류 융액(M)을 자연 냉각시킨다. 이러한 조건에서 잔류 융액(M)을 결정화시키면, 석영 도가니(10)의 총 이동 거리는 300mm정도가 된다.
한편, 석영 도가니(10)의 상승 속도와 히터(40) 파워의 감소 속도는 상기한 바에 한정되지 않으며, 석영 도가니(10)의 직경, 잔류 융액(M)의 양과 온도 등에 따라 변경이 가능함은 자명하다.
상술한 태양전지용 결정 제조과정은, 웨이퍼용 단결정 잉곳의 제조가 완료된 직후 연속적으로 진행할 수 있다. 따라서, 웨이퍼용 단결정 잉곳의 제조만 가능했던 장치에서 태양전지용 결정까지 생산함으로써 장치의 효용 가치를 증대시킬 수 있고, 그 만큼 경제적으로 태양전지용 결정을 생산할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 단결정 잉곳의 직경에 따라 예상되는 잔류 융액의 양을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법의 실시를 위해 사용되는 단결정 잉곳 제조장치의 일부 구성을 도시한 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법을 설명하기 위해 도시한 공정도들이다.
도 5는 시드 디핑 후의 잔류 융액 내 원자배열 형태를 개략적으로 보인 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 태양전지용 결정의 성장 제어 인자인 히터 파워의 시간별 변화를 보인 그래프이다.
Claims (5)
- 쵸크랄스키 법을 이용한 단결정 잉곳의 성장이 완료된 이후, 석영 도가니에 수용된 잔류 융액을 재활용하여 태양전지용 결정을 제조하는 방법에 있어서,(a) 상기 석영 도가니를 감싸는 히터를 이용하여 상기 잔류 융액을 액상으로 유지하는 단계;(b) 상기 석영 도가니에 수용된 잔류 융액에 시드를 디핑시키는 단계; 및(c) 상기 잔류 융액 내에 일방향성 응고가 가능한 상하 온도 구배가 형성될 수 있도록 히터의 파워를 서서히 감소시키면서 석영 도가니를 히터의 외부로 서서히 인출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (a) 단계는,상기 석영 도가니를 히터 내에 위치시킨 상태에서 잔류 융액을 가열하는 단계임을 특징으로 하는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계에서,상기 석영 도가니를 히터의 위쪽 방향으로 인출하는 것을 특징으로 하는 잔 류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계에서,상기 히터의 파워는 일정한 레벨까지 비례적으로 감소시키고, 상기 일정한 레벨이 되면 히터를 턴-오프시키는 것을 특징으로 하는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법.
- 제1항에 있어서,상기 (c) 단계에서,상기 잔류 융액의 결정화가 상부에서 하부로 전파되는 것을 특징으로 하는 잔류 융액을 재활용한 태양전지용 결정 제조방법.
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