KR20120061837A - 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치 - Google Patents

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KR20120061837A KR1020127004425A KR20127004425A KR20120061837A KR 20120061837 A KR20120061837 A KR 20120061837A KR 1020127004425 A KR1020127004425 A KR 1020127004425A KR 20127004425 A KR20127004425 A KR 20127004425A KR 20120061837 A KR20120061837 A KR 20120061837A
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Abstract

유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 장치로서, 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단, 인덕터에 의해 둘러싸이며, 가동 바닥과 수직 연장 슬롯에 의해 이격된 섹션을 구성하는 4벽을 가지는 냉각 도가니, 가동 바닥을 이동하기 위한 수단과, 냉각 도가니 아래에 배열된 제어 냉각 구획을 포함하는 인클로져를 포함하며, 내 측면은 직사각형 또는 정사각형 단면의 융융 챔버를 형성하며, 냉각 도가니의 벽은 적어도 인덕터로부터 냉각 도가니의 가장 낮은 부분을 향해 연장함으로써, 용융 챔버를 확장한다. 본 발명에 따라서, 냉각 도가니의 각 벽은 용융 챔버의 측면의 중간에 있는 수직 연장 슬롯을 없애는 중앙 섹션을 가지고, 용융 챔버를 확장하는 각 β는 다음 방정식에 의해 정의되며, β = arctg [2
Figure pct00013
(K- 1.35
Figure pct00014
10-3
Figure pct00015
b)/d] ,여기서, d는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 직사각형의 보다 작은 측면 또는 정사각형의 측면의 치수, b는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 인접 측면의 치수, K는 경험적 계수(empirical coefficient)로, 1.5 내지 2이다. 장치는 실리콘 용융물 누설을 감소시키고 생산된 다결정 실리콘 잉곳의 품질을 좋게 할 수 있다.

Description

다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치{APPARATUS FOR PRODUCING MULTICRYSTALLINE SILICON INGOTS}
본 발명은 유도 방식에 의해 그리고 다결정 실리콘으로부터 태양 전지의 제조에 사용할 수 있는 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치에 관한 것이다.
태양 광선으로부터 전기를 생산하는 태양 전지는 결정질 실리콘, 단결정 및 다결정 모두, 즉 대형 결정으로 구성된 다결정 실리콘으로 구성되어 있다.
다결정 실리콘에 대한 관심은 다결정 실리콘 태양 전지 효율이 단결정 실리콘 태양 전지의 효율에 가깝고, 다결정 실리콘 성장 장치 생산성이 단결정 실리콘 성장 장치의 것보다 몇 배 높기 때문에, 이제 까지 높아지고 있다. 또한, 다결정 실리콘 성장은 단결정 실리콘 성장보다 간단하다.
이 기술에 알려진 것은 유동 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치이며, 이 장치는 챔버를 포함하며, 챔버내에는 인덕터에 의해 둘러싸인 냉각 도가니가 설치되어 있고 가동 바닥과 수직 연장 슬롯에 의해 분리된 섹션을 구성하는 4개의 벽을 포함한다. 잉곳의 제어 냉각을 위한 한 세트의 가열 수단이 있다(EP No 1,754,806, 2007년 2월 21일, cl. S30B 11 / 00) [1]. 또한, 장치는 냉각 도가니의 용융 스페이스내의 결정화된 잉곳상에 설치될 수 있고 럼프 실리콘 충전물(lump silicon charge)을 가열하고 용융하고 분할 장치의 상부 레벨 위로 캐스팅할 수 있는 개별 분할 수단이 구비되어 있다.
알려진 장치의 단점은 다결정 실리콘 낮은 생산성과 얻어진 다결정 실리콘 불충분한 품질에 있다. 다결정 실리콘은 결정 구조에서의 많은 결함을 가진다.
유도 방법에 의한 다결정 실리콘 잉곳의 생산 장치는 본 발명에 보다 가깝고, 이 장치는 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단, 인덕터에 의해 둘러싸이고, 가동 바닥과 수직 연장 슬롯에 의해 이격된 섹션을 구성하는 4벽을 포함하는 냉각 도가니, 가동 바닥을 이동하기 위한 수단과 냉각 도가니 아래에 배열된 제어 냉각 구획을 가지는 인클로져를 포함하며, 내 측면에 직사각형 또는 사각형 단면의 용융 챔버를 형성하고, 냉각 도가니의 벽은 적어도 인덕터로부터 냉각 도가니의 가장 낮은 부분을 향해 외향으로 연장한다(EP 0349904, 1990년 1월 10일 공개, cl B22D 11/10 [2]. 용융 챔버를 확장하는 각도는 0.4 내지 2 °이다.
알려진 장치의 단점은 자주 있는 실리콘 융융물의 누설로 인한 다결정 실리콘 잉곳의 낮은 품질 및 다결정 실리콘 잉곳의 제조의 생산성 감소에 있다.
본 발명은 유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산 향상된 장치를 제공하는 것을 목표로 하고, 제안된 구조적인 변화에 의해, 실리콘 용융물 누설을 감소하여, 더 나은 품질의 다결정 실리콘을 얻고 그리고 다결정 실리콘의 생산성을 향상시킨다.
본 발명의 목적은 유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 장치를 제공함으로써 달성되며, 본 장치는, 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단, 인덕터에 의해 둘러싸이며, 가동 바닥과 수직 연장 슬롯에 의해 이격된 섹션을 구성하는 4벽을 가지는 냉각 도가니, 가동 바닥을 이동하기 위한 수단과, 냉각 도가니 아래에 배열된 제어 냉각 구획을 포함하는 인클로져를 포함하며, 내 측면은 직사각형 또는 정사각형 단면의 융융 챔버를 형성하며, 냉각 도가니의 벽은 적어도 인덕터로부터 냉각 도가니의 가장 낮은 부분을 향해 연장함으로써, 용융 챔버를 확장한다. 본 발명에 따라서, 냉각 도가니의 각 벽은 용융 챔버의 측면의 중간에 있는 수직 연장 슬롯을 없애는 중앙 섹션을 가지고, 용융 챔버를 확장하는 각 β는 다음 방정식에 의해 정의되며,
β = arctg [2
Figure pct00001
(K- 1.35
Figure pct00002
10-3
Figure pct00003
b)/d]
여기서, d는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 직사각형의 보다 작은 측면 또는 정사각형의 측면의 치수,
b는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 인접 측면의 치수,
K는 경험적 계수(empirical coefficient)로, 1.5 내지 2이다.
계수 K는 성장되어질 잉곳의 주변이 긴 경우에 가장 큰 값을 가진다.
냉각 도가니 각 벽의 중앙 섹션의 너비는 융융 챔버의 치수의 1/6 내지 1이다.
냉각 도가니 바닥내의 유도 용융에 의해 실리콘 용융 및 캐스팅 과정에서, 전기 및 열 전도 물질의 수냉 수직 섹션으로서 설계된 벽을 이동하고, 융융물의 일부분에 의해 형성된 메니스커스(meniscus)를 도가니 내면으로부터 전자기력에 의해 아웃프레스(outpressed)하고, 정수압(hydrostatic pressure)에 의해 균형을 얻는다. 원료를 연속 공급하여, 균형을 파괴하고 메니스커스의 하부 레벨을 냉각 도가니의 내면을 향해 주기적으로 붓는다. 여기서 용융물은 결정되고 벽 부착물(wall accretion)은 냉각 도가니의 주변상에 형성되어서 실리콘 용융물을 유지시켜서 도가니와의 접촉을 방지한다.
용해 과정을 진행 및 잉곳이 아래쪽으로 이동하면, 벽 부착물은 보다 두껍게 된다. 도가니에 지탱하는 벽 부착물의 외면의 온도는 실리콘 용융점보다 낮고 열 전도성에 좌우되고 도가니의 벽으로 열을 전도하며, 반면에 벽 부착물의 내면은 실리콘의 용융점과 같은 온도를 가진다. 그러므로 형성된 벽 부착물은 용융조(melt bath)의 단면과 높이 양쪽의 온도 구배를 가진다.
유도 융용에 의한 다결정 실리콘 잉곳의 생산에서, 벽 부착물과 냉각 도가니 사이의 간격으로 용융물 누설은 몇 개의 요인에 의한 것이다.
요인중 하나는 벽 부착물을 가로지르는 온도의 횡단 구배에 관련된다.
온도 구배에 의해서, 벽 부착물의 열 수축이 발생한다. 또한, 실리콘 유속 온도보다 높은 900℃에서 1050℃ 온도에서, 벽 부착물은 소성 변형을 한다. 벽 부착물의 열 수축의 크기는 냉각 도가니에 의해 형성된 융융 챔버의 온도 구배, 크기 및 모양에 좌우된다. 허용 값 이상의 열 수축의 초과는 부적절한 벽 부착물 냉각, 과열, 용융 및 냉각 도가니의 내벽과 벽 부착물 사이의 누설을 야기한다.
냉각 도가니의 내벽과 벽 부착물 사이의 누설을 야기하는 다른 요인은 벽 부착물이 냉각 도가니 내벽상에 캡쳐할 때에, 벽 부착물의 파괴이다. 냉각 도가니의 면에 결함이 없는 경우에, 액체 실리콘은 냉각 도기니의 벽의 내측에 젖지 않고 벽에 붙지도 않는다. 냉각 도가니 내벽의 면의 주 결함은 벽 섹션 사이의 수직 슬롯이고, 이 슬롯은 인덕터 전자기장이 실리콘 용융물로 침투해서 가열하는데 필요하다.
경험적으로 확립된 사실은, 벽 섹션이 수직 슬롯에 의해 이격되고 직사각형 또는 정사각형의 주변상에 배열되어 4 벽을 형성하며, 각 벽이 대응 냉각 도가니 벽의 중간내의 수직 슬롯을 제공하지 않은 중앙 섹션을 가지고, 용융 챔버를 확장하면서 냉각 도가니의 벽에 의해 형성된 용융 챔버의 크기가 고려되며, 이러한 구성들이 실리콘 유도 용융내의 벽 부착물의 열 수축의 결과로서의 간격의 형성을 안정시켜서 실리콘 용융물 누설의 감소를 제공하다 것이다.
특히, 이러한 구성은 벽 부착물과 냉각 도가니 벽면사이의 가장 작은 갭을 갖은 영역을 포함하는, 냉각 도가니 벽면상에 잡혀진 벽 부착물을 제거하고, 얻어진 다결정 실리콘 잉곳의 횡단 치수와 열 수축을 고려할 수 있게 한다. 그 결과로, 실리콘 용융물 누설은 크게 감소되고 실리콘은 일정한 속도로 안정 상태하에서 결정화한다.
용융 및 결정화 공정의 안정성의 강화는 다결정 실리콘을 생산하는 대형 결정의 형성을 야기하다. 더욱이, 결정화 공정의 안정성은 결정 구조에서의 결함을 제거하여 이로부터 얻은 제품, 즉 태양 전지의 양호한 품질을 제공한다.
그러므로, 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치의 제안된 설계는 태양 전지 생산에 적합한 다결정 실리콘의 높은 아웃풋을 제공한다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로, 이에 국한되지 않지만, 추가로 설명되어 있다.
도 1은 유도 용융에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치의 길이방향 단면도.
도 2는 용융물을 포함하는 냉각 도가니의 길이방향 단면도.
도 3은 용융 챔버를 도시하는 냉각 도가니의 단면도.
유도 용융에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 장치(도 1)는 호포(2)와 연통하는 인클로져(1)를 포함한다. 인클로져(1) 내에, 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단(3), 인덕터(5)에 의해 둘러싸인 냉각 도가니(4), 냉각 도가니(4) 아래에 배치된 제어 냉각 구획(6)이 있다. 냉각 도가니(4)는 가동 바닥(7), 수직 슬롯(10)에 의해 이격된 섹션(8) 및 중앙 섹션(9)에 의해 형성된다. 가동 바닥(7)은 이를 제어 냉각 구획(6)내의 수직으로 이동하기 위한 수단(11)에 관련되어 있다. 냉각 도가니(4)의 내면은 정사각형 또는 직사각형 단면의 용융 챔버(16)을 형성하며, 용융 챔버로 실리콘 럼프 재료(17)가 충전된다. 냉각 도가니(4)의 각 벽(12, 13, 14 및 15)의 중앙 섹션(9)은 용융 챔버(16)의 측면의 중간내에 수직 슬롯을 제공하지 않는다. 외향 슬로핑에 의한, 냉각 도가니(4)의 벽(12, 13, 14 및 15)의 섹션(8)과 중앙 섹션(9)(도 2)은 적어도 인덕터(5)로부터 냉각 도가니(4)의 가장 낮은 부분 또는 바닥을 향해 용융 챔버(16)를 확장하며, 용융 챔버를 확장하는 각 β는 다음 방정식에 의해 정의되며,
β = arctg [2
Figure pct00004
(K- 1.35
Figure pct00005
10-3
Figure pct00006
b)/d],
여기서, d는 인덕터(5) 레벨에서의 용융 챔버(16)의 단면의 직사각형의 보다 작은 측면 또는 정사각형의 측면의 치수,
b는 인덕터(5) 레벨에서의 용융 챔버(16)의 단면의 인접 측면의 치수,
K는 경험적 계수(empirical coefficient)로, 1.5 내지 2이다.
계수 K는 성장되어질 잉곳의 주변이 긴 경우에 가장 큰 값을 가진다.
냉각 도가니(4)의 각 벽(12, 13, 14 및 15)의 중앙 섹션(9)(도 3)의 너비는 융융 챔버의 치수의 1/6 내지 1이다.
냉각 도가니(4)의 벽(12, 13, 14 및 15)은 구리 또는 구리계 합금으로 만들어지고, 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단(3)과 가동 바닥(7)은 그라파이트와 같은 전기 전도 재료로 만들어진다.
본 발명의 장치는 아래와 같이 작동한다.
인클로져(1)내에, 제어된 분위기를 만든다. 가동 바닥(7)을 냉각 도가니(4)의 상부로 이동하여 아래로부터 용융 스페이스(16)를 제한한다. 충전 호퍼(2)로부터 용융 챔버(16)에 실리콘 럼프 재료(17)를 추가한다. 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단(3)을 가져온다. 인덕터(5)에 의해 고주파 전자기장을 발생시킨다. 가동 바닥(7)과 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단(3)을 인덕터(5)의 전자기장으로 가열하여 용융 챔버(16)내의 열 전도에 의해 실리콘 럼프 재료(17)를 가열한다. 온도가 700℃- 800℃에 도달하면, 충전물은 유도 가열 및 용융을 한다.
실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단(3)을 인덕터(5)의 전자기장으로부터 이동하여, 실리콘 용융조를 단면 형태에 따라서(도 2 및 도 3) 용융 챔버(16)내에 형성한다. 열 전도의 결과로, 실리콘 용융물은 결정화하고 벽 부착물(19)은 냉각 도가니(4)의 벽 가까이의 용융조의 주변상에 형성된다. 용융 스페이스(16)으로부터의 용융물의 누설을 막아서 용융된 실리콘과 냉각 도가니(4)의 벽(12, 13, 14 및 15)과의 상호작용을 방지한다. 인덕터(5)의 전자기장에 의해서, 상부 용융조를 냉각 도가니(4)의 벽(12, 13, 14 및 15)으로부터 스퀴즈(squeeze)되어, 메니스커스를 형성하고, 실리콘 럼프 재료(17)를 충전 호퍼(2)로부터 메니스커스 표면상에 계속해서 공급한다. 실리콘 럼프 재료(17)는 녹아서 메니스커스의 정수압을 증가시킨다. 주기적으로, 압력 평형이 요동치면, 용융물은 벽 부착물의 상단부를 거쳐 냉각 도가니(4)의 벽(12, 13, 14 및 15)을 향해 누설되고, 용융물의 외부 층은 결정화하고 벽 부착물(19)은 연속적으로 성장한다. 가동 바닥(7)을 인덕터(5) 영역으로부터 아래로 이동시켜서 실리콘 용융물을 연속적으로 하부분에서 결정화하여, 용융 공정과 잉곳 하향 이동을 진행으로서 다결정 잉곳(20)을 형성한다. 다결정 잉곳(20)을 제어 냉각 구획(6)으로 아래로 연속적으로 이동한다. 다결정 잉곳(20)은 용융조가 인덕터(5)와 냉각 도가니(4)의 레벨에서 상당히 일정하게 유지하는 속도로 회수되고, 용융물은 연속적으로 조(bath)의 하단 부분내에서 결정화하여 잉곳을 형성한다. 제어 냉각 구획(6)내에, 잉곳은 제어 상태하에서 냉각되고 열 스트레스는 제거된다.
본 발명의 장치에서 얻어진 다결정의 잉곳은 340 X 340 mm2 및 340 X 530 mm2의 단면적 크기를 가진다.
는 340 X 340 mm2 및 340 X 530 mm2의 단면적 크기의 잉곳은 인덕터의 레벨에서 342mm의 측면 치수와 사각형 단면의 용융 챔버에서에서 얻어진다. 냉각 도가니의 중앙 섹션의 너비는 60mm 이고, 그래서 용융 챔버 측의 중간에는 수직 슬롯이없다. 용융 챔버를 확장하는 각 β는
β = arctg [2
Figure pct00007
(1.5- 1.35
Figure pct00008
10-3
Figure pct00009
352)/342] =0.35 °이다.
다결정 실리콘 잉곳 생산에서, 용융물 누설은 선행 기술 도면에 비해서 훨씬 적다. 일어난 누설은 짧은 거리에서 중단된다. 그 결과, 따라서 생산된 다결정 실리콘 잉곳은 제로 결함 단결정 실리콘의 큰 영역을 가진다. 다결정 실리콘 생산 능력은 12 % 증가한다.

Claims (2)

  1. 유도 방식에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 장치로서, 실리콘의 가열을 시작하기 위한 수단, 인덕터에 의해 둘러싸이며, 가동 바닥과 수직 연장 슬롯에 의해 이격된 섹션을 구성하는 4벽을 가지는 냉각 도가니, 가동 바닥을 이동하기 위한 수단과, 냉각 도가니 아래에 배열된 제어 냉각 구획을 포함하는 인클로져를 포함하며, 내 측면은 직사각형 또는 정사각형 단면의 융융 챔버를 형성하며, 냉각 도가니의 벽은 적어도 인덕터로부터 냉각 도가니의 가장 낮은 부분을 향해 연장함으로써, 용융 챔버를 확장하는 장치에 있어서,
    상기 냉각 도가니의 각 벽은 용융 챔버의 측면의 중간에 있는 수직 연장 슬롯을 없애는 중앙 섹션을 가지고, 용융 챔버를 확장하는 각 β는 다음 방정식에 의해 정의되며,
    β = arctg [2
    Figure pct00010
    (K- 1.35
    Figure pct00011
    10-3
    Figure pct00012
    b)/d]
    여기서, d는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 직사각형의 보다 작은 측면 또는 정사각형의 측면의 치수,
    b는 인덕터 레벨에서의 용융 챔버의 단면의 인접 측면의 치수,
    K는 경험적 계수(empirical coefficient)로, 1.5 내지 2인 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각 도가니의 각 벽의 중앙 섹션의 너비는 상기 융융 챔버의 치수의 1/6 내지 1인 장치.
KR1020127004425A 2009-07-20 2010-07-19 다결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 장치 KR101408594B1 (ko)

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