[논문]다결정 실리콘 웨이퍼 직접제조에 대한 공정변수 영향

위성민; 이진석; 장보윤; 김준수; 안영수; 윤우영

doi:10.7777/jkfs.2013.33.4.157

다결정 실리콘 웨이퍼 직접제조에 대한 공정변수 영향
Effect of Processing Parameters on Direct Fabrication of Polycrystalline Silicon Wafer 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.33 no.4, 2013년, pp.157 - 161

위성민 (한국에너지기술연구원 에너지융합소재연구단) , 이진석 (한국에너지기술연구원 에너지융합소재연구단) , 장보윤 (한국에너지기술연구원 에너지융합소재연구단) , 김준수 (한국에너지기술연구원 에너지융합소재연구단) , 안영수 (한국에너지기술연구원 에너지융합소재연구단) , 윤우영 (고려대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A ribbon-type polycrystalline silicon wafer was directly fabricated from liquid silicon via a novel technique for both a fast growth rate and large grain size by exploiting gas pressure. Effects of processing parameters such as moving speed of a dummy bar and the length of the solidification zone on continuous casting of the silicon wafer were investigated. Silicon melt extruded from the growth region in the case of a solidification zone with a length of 1cm due to incomplete solidification. In case of a solidification zone wieh a length of 2 cm, on the other hand, continuous casting of the wafer was impossible due to the volume expansion of silicon derived from the liquid-solid transformation in solidification zone. Consequently, the optimal length of the solidification zone was 1.5 cm for maintaining the position of the solid-liquid interface in the solidification zone. The silicon wafer could be continuously casted when the moving speed of the dummy bar was 6 cm/min, but liquid silicon extruded from the growth region without solidification when the moving speed of the dummy bar was ${\geq}$ 9 cm/min. This was due to a shift of the position of the solid-liquid interface from the solidification zone to the moving area. The present study reports experimental findings on a new direct growth system for obtaining silicon wafers with both high quality and productivity, as a candidate for an alternate route for the fabrication of ribbon-type silicon wafers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 수평성장법의 장점인 빠른 성장속도와 수직성장법의 장점인 조대한 결정립 크기를 동시에 갖는 리본형 웨이퍼를 제조하는 새로운 개념의 장치와 공정을 개발하는 것이다. 특히 공정변수 중 더미바(dummy bar) 이송속도(moving speed)와 응고구간(solidification zone) 길이 변화에 따른 웨이퍼 제조 거동을 실험적으로 고찰하였으며, 공정변수의 최적화를 통하여 연속적인 웨이퍼 제조 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 수평성장법의 장점인 빠른 성장속도와 수직성장법의 장점인 조대한 결정립 크기를 동시에 갖는 리본형 웨이퍼를 제조하는 새로운 개념의 장치와 공정을 개발하였다. 특히 공정변수 중 더미바(dummy bar) 이송속도(moving speed)와 응고구간(solidification zone) 길이 변화에 따른 웨이퍼 제조 거동을 실험적으로 고찰하였다.

제안 방법

Heater 1 발열체와 근접한 부분의 고온 성장부는 1600℃로 유지되었지만, 응고구간과 같이 상대적으로 이격되어 있는 부분은 주변으로의 열손실이 발생하여 1600℃ 보다 낮은 온도로 유지되었다. 고온 성장부 내 실리콘이 응고되는 응고구간(solidification zone)의 길이를 1, 1.5, 2 cm로 변화를 주어 실험을 진행하였으며, 이때 응고구간의 온도가 각각 1250, 1240, 1235℃를 형성하는 것으로 측정되었다. 한편 기판 이송부의 Heater 2는 1100℃까지 가열되어, 제조된 웨이퍼의 잔류응력을 해소하는 역할을 하게 된다.
리본형 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위하여 Fig. 1과 같이 새로운 개념의 웨이퍼 직접제조장치를 설계/제작하였다. 직접제조 장치는 크게 폴리실리콘을 용융시킬 수 있는 용융부(melting part), 원하는 형상으로 웨이퍼를 제조/성장시키는 고온 성장부(growth part), 연속적인 실리콘 웨이퍼 제조를 위한 기판 이송부(moving part)와 용융부 가압 및 폴리실리콘 원료(feedstock) 투입을 위한 원료 주입부(feeding part)로 구분할 수 있다.
세척한 폴리실리콘 원료 200 g을 용융부 내 도가니에 장입시켰으며, 챔버 내에 존재하는 불순물과 산소를 저감하기 위하여 10−2Torr까지 감압하였다.
고온성장부(growth part)가 가열되지 않았는데 7250초까지 응고구간의 온도가 약 1100℃까지 상승한 이유는 용융부가 1500℃ 이상으로 가열된 것에 기인한 간접가열로 판단된다. 실험공정이 개시된 후 7250초가 되었을 때 고온 성장부의 Heater 1과 이송부의 Heater 2를 각각 1600℃과 1100℃가 될 때까지 작동시켰다. 7750초에 두 개의 Heater 모두가 목표 온도에 도달하였고, 응고구간의 온도는 1, 1.
상압으로 유지되고 있는 메인챔버의 압력보다 웨이퍼 제조모듈(용융부, 고온 성장부) 내의 압력이 높아질 때 실리콘 용탕은 고온 성장부 내부로 장입되었고, 냉각되고 있는 더미바(dummy bar)와 접촉하면서 응고되기 시작하였다. 용탕의 잠열 제거와 연속적인 웨이퍼 제조를 위한 더미바는 이송속도를 6, 9, 12 cm/min로 변화시키면서 웨이퍼를 제조하였다. 제조된 웨이퍼의 표면과 단면을 연마하고 45% KOH 수용액을 사용하여 80℃에서 15초 간 에칭한 후, 광학 현미경(BX60MF, Olympus, Japan)을 사용하여 미세구조를 관찰하였다.
세척한 폴리실리콘 원료 200 g을 용융부 내 도가니에 장입시켰으며, 챔버 내에 존재하는 불순물과 산소를 저감하기 위하여 10⁻²Torr까지 감압하였다. 이후 용융부에 전자기 유도현상을 이용한 가열방식을 적용하여 RF 전력을 5분당 10 A씩 100 A까지 상승시켜 주었으며, 100 A에 도달하였을 때 용융부의 온도는 1500℃ 이상이 되어 실리콘이 용융되기 시작하였다. 폴리실리콘이 용융되기 시작할 때, 고온 성장부의 온도를 흑연 발열체(Heater 1)에 의한 저항가열방식을 적용하여 1600℃까지 상승시켜 주었다.
용탕의 잠열 제거와 연속적인 웨이퍼 제조를 위한 더미바는 이송속도를 6, 9, 12 cm/min로 변화시키면서 웨이퍼를 제조하였다. 제조된 웨이퍼의 표면과 단면을 연마하고 45% KOH 수용액을 사용하여 80℃에서 15초 간 에칭한 후, 광학 현미경(BX60MF, Olympus, Japan)을 사용하여 미세구조를 관찰하였다.
본 연구에서는 수평성장법의 장점인 빠른 성장속도와 수직성장법의 장점인 조대한 결정립 크기를 동시에 갖는 리본형 웨이퍼를 제조하는 새로운 개념의 장치와 공정을 개발하였다. 특히 공정변수 중 더미바(dummy bar) 이송속도(moving speed)와 응고구간(solidification zone) 길이 변화에 따른 웨이퍼 제조 거동을 실험적으로 고찰하였다. 응고구간의 길이가 1 cm 이하일 경우는 완전한 응고반응이 일어나지 않아서 용탕이 토출되는 문제가 있었고, 2 cm 이상일 경우는 응고구간 내에서 고-액 상변태가 완료되어 부피팽창을 일으켰기 때문에 연속적인 웨이퍼 제조가 불가능하였다.
본 연구는 수평성장법의 장점인 빠른 성장속도와 수직성장법의 장점인 조대한 결정립 크기를 동시에 갖는 리본형 웨이퍼를 제조하는 새로운 개념의 장치와 공정을 개발하는 것이다. 특히 공정변수 중 더미바(dummy bar) 이송속도(moving speed)와 응고구간(solidification zone) 길이 변화에 따른 웨이퍼 제조 거동을 실험적으로 고찰하였으며, 공정변수의 최적화를 통하여 연속적인 웨이퍼 제조 가능성을 확인하였다.

성능/효과

이는 고정된 응고구간 내에 고액계면이 존재하지 않고 더미바가 움직이는 방향으로 이동(shift)되었기 때문에 발생한 현상이라 판단된다. 결론적으로 본 실험에서 고정한 공정변수 하에서는 최적의 더미바 이송속도는 6 cm/min이었고, 이는 응고구간 내에서 고액계면의 위치를 유지시킬 수 있는 최적의 응고속도라고 생각된다. 또한 이 속도는 상용 EFG 웨이퍼의 성장속도(1-2 cm/min) 보다 3배 이상 빠른 성장속도이다.
이는 웨이퍼 결정 성장방향과 수직하게 고-액 계면이 형성되었다는 것을 의미한다. 결론적으로 본 연구는 EFG처럼 태양전지 변환효율에 영향을 미치는 결정립 크기를 증가시키는 동시에 RGS처럼 빠른 웨이퍼 생산속도를 구현할 수 있는 새로운 개념의 장치와 공정을 개발하였으며, 기술적 측면에서의 발전 가능성을 성공적으로 확인하였다.
공정변수들이 아직 완벽하지 않아서 수직성장법으로 제조된 EFG처럼 결정성장 방향이 웨이퍼 제조방향과 정확하게 평행하지는 않지만, 수평성장법으로 제조된 RGS와 비교 시 종횡비가 매우 크고 수 백 µm이상의 상당히 큰 결미세구조를 관찰한 결과, 새롭게 설계한 장치와 공정 목적에 맞게 웨이퍼 제조방향과 더미바 이송방향이 평행한 것을 관찰할 수 있었다.
실리콘 소재는 액상에서 고상으로 상변태를 수반할 시 약 10%의 부피팽창을 수반하기 때문에 제한된 공간에서 상변태가 완료되면 부피팽창으로 인해 웨이퍼가 몰드에 끼여 더 이상 연속적인 웨이퍼 제조가 불가능하다[11]. 이는 응고구간의 길이에 따라 리본형 웨이퍼의 연속제조 여부가 결정된다는 것을 의미하는데, 실험결과와 같이 연속제조가 가능한 공정 윈도우(processing window)가 매우 좁다는 것을 확인할 수 있었다. 응고구간의 길이가 (a)처럼 1 cm 이하일 경우는 완전한 응고반응이 일어나지 않아서 용탕이 토출되는 문제가 있었고, (c)처럼 2 cm 이상일 경우는 응고구간 내에서 고-액 상변태가 완료되어 부피팽창을 수반하기 때문에 연속적인 웨이퍼 제조가 불가능하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 태양전지의 제조단가 절감을 위한 방식에는 무엇이 있는가?	일반적으로 실리콘 태양전지의 제조단가 절감을 위한 방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째는 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환효율을 향상시키는 방법이고, 두 번째는 태양전지 소재 및 제조공정의 단가를 절감하는 방법이다. 수십여 년 동안 변환효율을 향상시키기 위해 많은 연구자들이 실리콘 셀의 표면 조직(texturing), 도핑 프로파일(doping profile), 전/후면 passivation, 금속전극 구조 개선 등 다양한 시각에서 접근하여 왔지만, 노력대비 효율 향상은 미비한 상황이다[3,4].
	웨이퍼 제조공정의 저가화가 태양전지를 저가화하기 위한 방법으로 가장 먼저 대두되는 이유는 무엇인가?	일반적으로 태양광 모듈 제조단가의 약 50%를 태양광급 폴리실리콘(polysilicon) 및 이를 이용한 실리콘 웨이퍼(wafer) 제조단가가 차지하고 있다. 특히, 실리콘 웨이퍼의 경우 전체 제조단가의 1/3을 차지하고 있어 태양전지를 저가화하기 위한 방법으로 가장 먼저 대두되는 것이 웨이퍼 제조공정의 저가화이다.
	결정질 실리콘 웨이퍼는 어떻게 만들어지는 것이 일반적인가?	현재 사용되는 결정질 실리콘 웨이퍼는 초크랄스키법(Czochralski method) 또는 브릿지만법(Bridgeman method) 등을 이용하여 실리콘 잉곳(ingot) 또는 블록(block)을 제조한 후, 와이어(wire) 등을 이용하여 얇은 기판 형태로 절단하여 만드는 것이 일반적이다. 하지만 이러한 절단공정에서 최소 40~50% 정도의 원료손실(kerf-loss)이 발생하여 웨이퍼 제조단가의 상승을 초래한다.

참고문헌 (11)

A.M. Lipinski, P. Pane, R. Cia and J. Optoelectron, Adv. Mater, "The Industrial technology of crystalline silicon solar cells", 5 (2003) 1365-1371.
Lee GH, Rhee CK and Lim KS, Solar Energy "A Study on the fabrication of polycrystalline Si Wafer by direct casting for solar cell substrate", 80 (2006) 220-225.

상세보기
D. S. Ruby, S. H. Zaihi and S. Narayanan, PVSC "Plasma texturization for multicrystalline solar cells", 28 (2000) 75-78.
Lee WS, Moon IY and Lee JS, J. Korean Inst. Electri. Electron.Mater. Eng., "PC1D simulation for optimization of single crystalline silicon solar cell", (2007) 57-58.
Jang BY, Kim JS and Ahn YS, Ceramist, "Low-Cost polusilicon technologies for photovoltaics", 13 (2010) 41-46.
J. P. Kalejs, B. H. Mackintosh and T.Surek, J. Cryst. Growth, "High speed of wide silicon ribbon", 50 (1980) 175-192.

상세보기
R. L. Wallance, J. I. Hanoka, A. Rohatgi and G. Crotty, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, "Thin silicon string ribbon", 48 (1997) 179-186.

상세보기
J. I. Hanoka, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, "An overview of silicon ribbon growth technology", 65 (2001) 231-237.

상세보기
H. Lange and I. A. Schwirtlich, J. Cryst. Growth, "Ribbon growthon substrate(RGS) - A new approach to high speed growth of Silicon ribbons for photovoltaic", 104 (1990) 108- 112.

상세보기
S. N. Mohammad, M. A. Sorhan and S. Qutubuddin, Solid State Electron, "The influence of grain boundary on the performance efficiency of polycrystalline gallium arsenide solar cell", 32 (1989) 827-834.

상세보기
B. Wu, S. Scott, N. Stoddard, R. Clark and A. Sholapurwalla, JOM, "Simulation of silicon casting process for photovoltaic (PV) application", 2 (2009) 269-276.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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