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생산성 증대를 위한 대구경 잉곳 연속 성장 초크랄스키 공정 최적 속도 연구
A Study of Optimum Growth Rate on Large Scale Ingot CCz (Continuous Czochralski) Growth Process for Increasing a Productivity 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.6, 2016년, pp.775 - 780  

이유리 (영남대학교 화학공학부) ,  노지원 (영남대학교 화학공학부) ,  정재학 (영남대학교 화학공학부)

초록
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최근 태양전지 산업에서는 효율과 더불어서 생산성을 높이고 원가를 절감할 수 있는 설계가 요구되고 있다. 생산성의 향상을 위하여 반응기의 크기를 키우면 기존의 8 inch 잉곳에서 12 inch 잉곳으로 생산이 가능하다. 또한 연속공정법을 사용하여 생산성 증대를 극대화 시킬 수 있다. 본 연구에서는 12인치 잉곳이 최적 컨디션의 수율향상을 위한 소비전력 감소와 생산성 향상에 관한 시뮬레이션을 진행하였다. 인출속도 별 계면 형상과 폰-미제스 스트레스, 온도구배, 소비전력을 비교하여 최적의 인출속도를 찾았다. 그 결과, 생산성 향상과 에너지를 절감할 수 있는 최적 공정 파라미터를 도출할 수 있었다. 이러한 연구는 실제 태양전지 산업에서 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대 된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, photovoltaic industry needs a new design of Czochralski (Cz) process for higher productivity with reasonable energy consumption as well as solar cell's efficiency. If the process uses the large size reactor for increasing productivity, it is possible to produce a 12-inch, rather than the 8...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 최근 태양전지 산업에서는 원가 절감을 위해 재료 부분에서 생산성을 늘이고 에너지를 절감하는 공정을 지향하고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 태양전지용 단결정 잉곳의 생산성을 증대시키는 것이다. 기존의 일반적인 8 inch의 잉곳을 생산하는 초크랄스키 공정 법에서 도가니의 사이즈를 더 크게하여 12 inch의 잉곳을 생산 할 수 있도록 하였다.
  • 하지만 공정의 내부 핫존(Hot zone)은 열차폐막으로 둘러싸여 있기 때문에 이를 직접 관찰하거나 측정하는 것은 거의 불가능하다. 또한 공정에 따른 많은 변수와 가동 시간 등 비용의 소모를 최소화 시켜 공정을 해석하고 최적화하기 위해 시뮬레이션을 통하여 연구를 효과적으로 수행하고자 한다[10].
  • 본 연구는 생산성을 높이면서 동시에 원가를 절감하려는 목적을 가지고 있다. 기존의 초크랄스키 공정은 도가니 내에 용융되어 있던 실리콘만이 모두 잉곳으로 결정화 되면 공정이 끝난다.
  • 그러므로 결정 인출속도(Growth rate)의 비교를 통해 계면의 모양을 관찰하고 결정의 품질을 확인 및 제어하고 있다. 추가로 최적의 인출속도(Growth rate)를 찾아서 같은 시간 내에 가장 많이 잉곳을 생산할 수 있는 인출속도를 찾고자 한다.

가설 설정

  • 실제 성장로를 만드는 과정에서는 세계의 중심축을 일치시키기가 어렵기 때문에 완전한 축대칭이라고는 할 수 없다. 그러나 회전으로 인해서 비대칭적인 양상을 많이 줄여 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 축 대칭으로 가정하였다. 이에 따라 초크랄스키 성장 모사는 2차원 원통형 좌표계(2 Dimensional cylindrical coordinate)를 사용 할 수 있다[7].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
실리콘 잉곳의 성장은 어떤 공정인가? 따라서 생산 원가의 절감을 위한 잉곳 반응기의 최적화 그리고 공정 파라미터의 최적화가 필요하다. 실리콘 잉곳의 성장은 실리콘의 녹는점인 1412 o C 이상의 고온에 서 일어나는 공정이다. 따라서 육안으로 관찰하기에는 한계가 있고 또 잉곳이 성장하는 과정에서 생기는 결함은 예측하기가 힘들다.
과거 초크랄스키 성장법 연구는 어디에 초점이 맞춰져 있었는가? 과거에는 초크랄스키 성장법(Czochralski Method)에서 전반적인 열의 이동과 결정 온도를 관리하고 불순물의 전달과 실리콘 결정에 서의 결함을 이해하기 위한 수리적인 모델들을 연구 하는데 초점이 놓여 있었다[1-3]. 하지만 최근 단결정 실리콘 태양전지 시장에서는 효율뿐만 아니라 생산성을 높이면서 원가를 절감시킬 수 있는 연구 가 행해지고 있다.
최근에는 초크랄스키 성장법에 관한 어떤 연구가 이루어지고 있는가? 과거에는 초크랄스키 성장법(Czochralski Method)에서 전반적인 열의 이동과 결정 온도를 관리하고 불순물의 전달과 실리콘 결정에 서의 결함을 이해하기 위한 수리적인 모델들을 연구 하는데 초점이 놓여 있었다[1-3]. 하지만 최근 단결정 실리콘 태양전지 시장에서는 효율뿐만 아니라 생산성을 높이면서 원가를 절감시킬 수 있는 연구 가 행해지고 있다. 하지만 태양광 발전의 공정에 있어 잉곳(Ingot), 웨이퍼(Wafer) 부분의 공정단계에서는 반응기로부터 기인하는 생산구조상 가격의 절감이 어렵다.
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참고문헌 (13)

  1. Sinno, T. et al., "Defect engineering of Czochralski single-crystal silicon," Mater. Sci. Eng. Reports, 28(5-6), 149-198(2000). 

  2. Tomzig, E. et al., "Challenges for Economical Growth of High Quality 300 mm CZ Si Crystals," Microelectron. Eng., 45(2), 113-125(1999). 

  3. Dunham, S. T. and Nelson, J. S., "Semiconductor Process and Device Performance Modeling," Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 490, 181(1998). 

  4. Lee, J. S. and Kim, K. H., "Solar Cell Engineering," Book Publication GREEN(2007). 

  5. University of Incheon, "Development of defect controlling methods in Si single crystals," Report(1995). 

  6. Jeong, H. B., "Numerical Study on a Single Crystal Growth using a Czochralski Method," Inha University Graduate School, Master's Thesis(2008). 

  7. Lee, S.-H. et al., "A Cold Model Experiment on the Thermal Convection in the Czochralski Silicon Single Crystal Growth Process," J. of Korean Association of Crystal Growth, 9(2), 149-156(1999). 

  8. Kalaev, V. V. et al. "Calculation of Bulk Defects in CZ Si Growth: Impact of Melt Turbulent Fluctuations," J. Cryst. Growth, 250(1-2), 203-208(2003). 

  9. N. Van den Bogaert and Dupret, F., "Dynamic Global Simulation of the Czochralski Process II. Analysis of the Growth of a Germanium Crystal," J. Cryst. Growth, 171(1-2), 77-93(1997). 

  10. Jeong, H. B., "Numerical Study on Effect of Crucible and Crystal Rotation on Flow Field in Czochralski Growth Process," The Korean Institute of Metals and Materials, 1, 184(2007). 

  11. Lee, E. K., "Optimal Design of Cz Process for Increasing a Productivity of Single Crystal Si Solar Cell Ingot," Korean Chemical Engineering Research, 49(4), 432-437(2011). 

  12. Jung, Y. J., "Study of Oxygen Concentration and Interface Optimization in Czochralski Process for Production of Low-Cost, High-Quality Ingot," Yeungnam University Graduate School, Master's Thesis(2014). 

  13. Jeon, B. C., "Optimal design for maximizing ingot production rate in large diameter continuous CZ process," Yeungnam University Graduate School, Master's Thesis(2015). 

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