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 Productivity원문보기
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.
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.
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...
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-inch. Also the continuous czochralski process method can be maximized to increase productivity. In this study, it was designed to improve the yield value of ingot with optimal condition which reduce consumption of electrical power. It has increased the productivity of the 12-inch ingot process condition by using CFD simulation. I have found optimal growth rate, by comparing each growth rate the interface shape, Temperature gradient, power consumption. As a result, the optimal process parameters of the growth furnace has been derived to improve for the productivity and to reduce energy. This study will contribute to the improvement of the productivity in the solar cell industry.
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-inch. Also the continuous czochralski process method can be maximized to increase productivity. In this study, it was designed to improve the yield value of ingot with optimal condition which reduce consumption of electrical power. It has increased the productivity of the 12-inch ingot process condition by using CFD simulation. I have found optimal growth rate, by comparing each growth rate the interface shape, Temperature gradient, power consumption. As a result, the optimal process parameters of the growth furnace has been derived to improve for the productivity and to reduce energy. This study will contribute to the improvement of the productivity in the solar cell industry.
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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].
제안 방법
Growth rate인 잉곳 인출속도를 더 빠르게 하면 빠르게 할수록 잉곳의 생산이 많아진다. 본 연구에서는 인출속도를 0.3 mm/min부터 0.7 mm/min 까지 0.1 mm/min 간격으로 속도를 상승시켰다. 하지만 인출속도를 높이는 데에는 고려해야 할 사항들이 몇 가지 있다.
본 연구에서는 인출속도를 0.3 mm/min부터 0.7 mm/min까지 0.1 mm/min 간격으로 실험하여 계면의 형상과 온도구배(Gn, Temperature gradient normal to the crystallization, dT/dx, Von-mises stress 그리고 소비전력을 비교 평가하여 최적의 인출속도를 찾았다. Gn값은 결정의 중심에서 수평방향으로 온도차를 나타낸 것이다.
성능/효과
그리고 인출속도(Growth rate)가 빨라질수록 Gn값이 상승하는것을 볼수있다. 따라서 계면의 형상과 Gn값, Von-mises stress를 고려했을 때 0.5 mm/min가 최적의 인출 속도(Growth rate)임을 확인했다(Fig. 10).
7 mm/min 일 때는 안정한 공정이 이루어질 수 있는 스트레스의 값인 30 MPa이 넘기 때문에 불안정하다고 판단할 수 있다. 또한 그래프에서는 잉곳 중심부로부터의 거리에 따른 Von-mises stress를 나타내고 있는데 0.7 mm/min 과 0.6 mm/min의 속도에서 동일하게 잉곳의 중심부로부터 거리가 200 mm되는 지점에서 급격하게 스트레스가 올라가는 것을 확인할 수 있다. 이 수치 또한 실제 공정 내에서 불안한 요소로 작용할 수 있기 때문에 0.
또한 당연한 결과로 인출속도(Growth rate)가 빨라질수록 heater의 소비 전력이 감소하는 것을 볼 수 있다(Fig. 9). 그 이유는 결정이 생성되는 시간이 줄어들면서 그만큼 반응기 내부에 사용되는 전체 소비전력이 감소하기 때문이다.
후속연구
끝으로 이 연구를 실제 산업에 적용한다면 기존의 8 inch 잉곳에서 12 inch 잉곳으로 생산 할 수 있어서 1장의 웨이퍼(wafer)당 4배의 생산성의 향상을 기대 할 수 있다. 또한 연속성장이 가능 한 점에서 기존의 결정 길이보다 더 길게 생산할 수 있으므로 생산성 측면에서 뛰어나다.
또한 연속성장이 가능 한 점에서 기존의 결정 길이보다 더 길게 생산할 수 있으므로 생산성 측면에서 뛰어나다. 본 연구의 결과는 산업에 적용될 수 있으며 향후 태양전지용 단결정 실리콘 잉곳의 저렴하고 높은 생산에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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.
참고문헌 (13)
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Jeong, H. B., "Numerical Study on a Single Crystal Growth using a Czochralski Method," Inha University Graduate School, Master's Thesis(2008).
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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).
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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).
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).
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).
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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