태양광 에너지는 깨끗하며 무한한 재생에너지의 한가지로 많은 관심을 받아왔다. 태양광 에너지는 다결정 실리콘 웨이퍼 혹은 단결정 실리콘 웨이퍼로 구성된 솔라셀에 의해서 전기에너지로 전환된다. 제조원가를 낮추기 위하여 한 개의 석영 도가니에 폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키는 연구가 많이 개발되어 왔다. 충진 크기를 증가시키면, 쵸크랄스키 공정장비의 온도제어가 강한 멜트 대류 때문에 힘들어진다. 본 연구에서는 20 inch와 24 inch 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 통해 장비 온도 프로파일을 얻었으며, 실제값과 비교하고 분석하였다. 시뮬레이션 온도 프로파일과 실제 온도프로파일이 잘 일치하였으며, 이로써 충진 사이즈가 증가할 경우, 실제온도 프로파일 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용할 수 있게 되었다.
태양광 에너지는 깨끗하며 무한한 재생에너지의 한가지로 많은 관심을 받아왔다. 태양광 에너지는 다결정 실리콘 웨이퍼 혹은 단결정 실리콘 웨이퍼로 구성된 솔라셀에 의해서 전기에너지로 전환된다. 제조원가를 낮추기 위하여 한 개의 석영 도가니에 폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키는 연구가 많이 개발되어 왔다. 충진 크기를 증가시키면, 쵸크랄스키 공정장비의 온도제어가 강한 멜트 대류 때문에 힘들어진다. 본 연구에서는 20 inch와 24 inch 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 통해 장비 온도 프로파일을 얻었으며, 실제값과 비교하고 분석하였다. 시뮬레이션 온도 프로파일과 실제 온도프로파일이 잘 일치하였으며, 이로써 충진 사이즈가 증가할 경우, 실제온도 프로파일 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용할 수 있게 되었다.
Solar energy has attracted big attentions as one of clean and unlimited renewable energy. Solar energy is transformed to electrical energy by solar cells which are comprised of multi-silicon wafer or mono-silicon wafer. Monosilicon wafers are fabricated from the Czochralski method. In order to decre...
Solar energy has attracted big attentions as one of clean and unlimited renewable energy. Solar energy is transformed to electrical energy by solar cells which are comprised of multi-silicon wafer or mono-silicon wafer. Monosilicon wafers are fabricated from the Czochralski method. In order to decrease fabrication cost, increasing a poly-silicon charge size in one quartz crucible has been developed very much. When we increase a charge size, the temperature control of a Czochralski equipment becomes more difficult due to a strong melt convection. In this study, we simulated a Czochralski equipment temperature at 20 inch and 24 inch in quartz crucible diameter and various charge sizes (90 kg, 120 kg, 150 kg, 200 kg, 250 kg). The simulated temperature profiles are compared with real temperature profiles and analyzed. It turns out that the simulated temperature profiles and real temperature profiles are in good agreement. We can use a simulated profile for the optimization of real temperature profile in the case of increasing charge sizes.
Solar energy has attracted big attentions as one of clean and unlimited renewable energy. Solar energy is transformed to electrical energy by solar cells which are comprised of multi-silicon wafer or mono-silicon wafer. Monosilicon wafers are fabricated from the Czochralski method. In order to decrease fabrication cost, increasing a poly-silicon charge size in one quartz crucible has been developed very much. When we increase a charge size, the temperature control of a Czochralski equipment becomes more difficult due to a strong melt convection. In this study, we simulated a Czochralski equipment temperature at 20 inch and 24 inch in quartz crucible diameter and various charge sizes (90 kg, 120 kg, 150 kg, 200 kg, 250 kg). The simulated temperature profiles are compared with real temperature profiles and analyzed. It turns out that the simulated temperature profiles and real temperature profiles are in good agreement. We can use a simulated profile for the optimization of real temperature profile in the case of increasing charge sizes.
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제안 방법
1에서 오른쪽 측면 검은색 화살표 지점)에서의 Simulation 온도를 확인하였다. 20 인치 석영도가니에 폴리실리콘 120 Kg을 충진하고 실제 성장로에서 Si 단결정 잉곳을 성장하여, 1분마다 광학식 온도센서에서 실제 온도를 측정하였다. 또한 24인치 석영도가니에 폴리실리콘 200 Kg을 충진하고 같은 방법으로 실제 온도를 측정하였다.
각 Simulation 조건에서, Si 단결정 잉곳 길이를 100mm 구간으로 변경하면서 Simulation을 진행하였다. 각 조건에서 Simulation 종료 후, 실제 성장로에 부착된 광학식 온도센서와 같은 지점(Fig.
각 Simulation 조건에서, Si 단결정 잉곳 길이를 100mm 구간으로 변경하면서 Simulation을 진행하였다. 각 조건에서 Simulation 종료 후, 실제 성장로에 부착된 광학식 온도센서와 같은 지점(Fig. 1에서 오른쪽 측면 검은색 화살표 지점)에서의 Simulation 온도를 확인하였다. 20 인치 석영도가니에 폴리실리콘 120 Kg을 충진하고 실제 성장로에서 Si 단결정 잉곳을 성장하여, 1분마다 광학식 온도센서에서 실제 온도를 측정하였다.
20 인치 석영도가니에 폴리실리콘 120 Kg을 충진하고 실제 성장로에서 Si 단결정 잉곳을 성장하여, 1분마다 광학식 온도센서에서 실제 온도를 측정하였다. 또한 24인치 석영도가니에 폴리실리콘 200 Kg을 충진하고 같은 방법으로 실제 온도를 측정하였다. 시뮬레이션에서 얻은 온도와 실제 측정한 온도를 비교 분석하였다.
본 연구에서 STR 그룹의 상용 소프트웨어인 CGSim으로 시뮬레이션을 진행하였다. CGSim은 Si 단결정 잉곳 진공챔버 성장로 안의 Global 시뮬레이션을 할 수 있는 소프트웨어이다[8].
또한 한 인자를 어떤 방향으로 변경했을 때, 반응값이 어느 방향으로 나타나는지 예측하는데 유용하다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여, Si 단결정 잉곳 길이 함수에 따른 그라파이트 부품의 온도 프로파일을 확인하였고, 충진 사이즈와 석영도가니의 크기를 변경하여 시뮬레이션 하였으며, 실제 값과 비교하였다.
대상 데이터
Table 2에 시뮬레이션 조건을 표기하였다. 20 인치와 24 인치 두 가지 크기의 석영도가니를 사용하였다. 폴리실리콘 충진 사이즈는 20 인치 석영도가니에서는 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg을 사용하였고, 24 인치 석영도가니에서는 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg를 사용하였다.
본 연구에서는 20 인치와 24 인치 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 진행하였다. 20 인치와 24인치 모두 잉곳 바디 길이 초반부에는 급격히 감소했다가 점점 증가하는 경향을 보였으며, 충진 사이즈가 증가할수록 최저온도 지점의 고화분율값은 증가하는 경향을 보였다.
Czochralski 공정의 Global 시뮬레이션은 대류, 전도, 복사를 통한 성장로 내부의 그라파이트 히터 및 부품, Si 액체, Si 고체 단결정 잉곳사이의 모든 열전달을 계산한다. 시뮬레이션에서는 성장로, 그라파이트 부품, 단결정 잉곳 등의 실제 길이를 사용하였다. 각 재료의 물성중 주요 부품의 물리적 상수값은 Table 1에 표기하였다.
20 인치와 24 인치 두 가지 크기의 석영도가니를 사용하였다. 폴리실리콘 충진 사이즈는 20 인치 석영도가니에서는 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg을 사용하였고, 24 인치 석영도가니에서는 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg를 사용하였다. Si 단결정 잉곳의 직경은 8.
데이터처리
또한 24인치 석영도가니에 폴리실리콘 200 Kg을 충진하고 같은 방법으로 실제 온도를 측정하였다. 시뮬레이션에서 얻은 온도와 실제 측정한 온도를 비교 분석하였다.
이론/모형
모든 부품과 Si 액체와 고체의 시뮬레이션 도면은 사각형과 삼각형의 작은 그리드와 메쉬로 분할하였다[9]. CGSim에서 제공하는 지배방정식, 초기 초건, 경계조건을 그대로 사용하였다. Si 액체 대류와 Ar 개스 대류를 통한 운동량전달도 CGSim에서 기본적으로 제공되는 것을 사용하였다.
성능/효과
(1) 히터가 석영도가니에 비해 상대적으로 높이 있는 경우, 최초 온도하락 구간의 폭이 더 크다.
(2) 온도가 상승하는 구간은 잔류 액체 양의 감소에 따른 열용량 감소를 보상해 주고자 일어난다.
(3) 잉곳 바디 길이는 잔류 액체의 양보다는 고액계면의 온도에 상대적으로 큰 영향을 주지 않는다.
20 인치와 24 인치 모두 충진 사이즈 증가에 비례하여 일정길이 만큼 온도 프로파일을 왼쪽으로 이동하면, 증가하는 온도기울기는 유사한 경향을 보였다. 20 인치와 24 인치의 히터와 잔류액체의 상대적 위치 차이로 20 인치는 상대적으로 초기에 온도가 많이 감소하고 적게 온도가 상승하고, 24 인치는 초기에 적게 감소하고 상대적으로 온도가 많이 상승하는 경향을 보였다. 실제 온도 프로파일과 비교결과 24 인치의 초반 온도감소부분만을 제외하고 경향이 잘 일치 하였다.
본 연구에서는 20 인치와 24 인치 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 진행하였다. 20 인치와 24인치 모두 잉곳 바디 길이 초반부에는 급격히 감소했다가 점점 증가하는 경향을 보였으며, 충진 사이즈가 증가할수록 최저온도 지점의 고화분율값은 증가하는 경향을 보였다. 20 인치와 24 인치 모두 충진 사이즈 증가에 비례하여 일정길이 만큼 온도 프로파일을 왼쪽으로 이동하면, 증가하는 온도기울기는 유사한 경향을 보였다.
고화분율은 어떤 길이까지 성장된 잉곳 무게를 최초 폴리실리콘 충진 사이즈로 나누어 계산하고, 그 값은 1을 넘지 않는다. 고화분율에 대한 그래프로 변환시에 온도가 최소가 되는 고화분율 값이 150 Kg에서는 0.18, 200 Kg에서는 0.26, 250 Kg에서는 0.42로 폴리실리콘 충진 사이즈가 늘어날수록 증가하는 경향을 보였다.
세 조건 모두 24 인치 석영도가니와 마찬가지로 초기에 온도가 감소하였다가, 다시 증가하는 경향을 보인다. 고화분율에 대한 그래프로 변환시에 온도가 최소가 되는 고화분율 값이 90 Kg에서는 0.39, 120 Kg에서는 0.37, 150 Kg에서는 0.62로, 폴리실리콘 충진 사이즈가 90 Kg과 120 Kg은 유사하나, 150 Kg은 크게 증가하는 경향을 보였다. 또한 24 인치 석영도가니의 경우보다는 최소 온도 고화분율 값이 더 증가하였다.
실제 온도 프로파일과 비교결과 24 인치의 초반 온도감소부분만을 제외하고 경향이 잘 일치 하였다. 이로써 충진 사이즈가 증가할 경우, 실제온도 프로파일 최적화를 위해 시뮬레이션을 사용할 수 있는 가능성을 확인하게 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
태양광 에너지는 어떤 과정을 통해 전기에너지로 전환되는가?
태양광 에너지는 깨끗하며 무한한 재생에너지의 한가지로 많은 관심을 받아왔다. 태양광 에너지는 다결정 실리콘 웨이퍼 혹은 단결정 실리콘 웨이퍼로 구성된 솔라셀에 의해서 전기에너지로 전환된다. 제조원가를 낮추기 위하여 한 개의 석영 도가니에 폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키는 연구가 많이 개발되어 왔다.
Czochralski 방법은 어떤 방법인가?
Czochralski 방법은 단결정 잉곳을 생산하는 매우 대중적인 일반적인 방법이다. Si 재료는 반도체와 태양전지 분야에서 매우 중요한 재료이다.
폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키면 어떻게 되는가?
제조원가를 낮추기 위하여 한 개의 석영 도가니에 폴리실리콘의 충진 크기를 증가시키는 연구가 많이 개발되어 왔다. 충진 크기를 증가시키면, 쵸크랄스키 공정장비의 온도제어가 강한 멜트 대류 때문에 힘들어진다. 본 연구에서는 20 inch와 24 inch 석영도가니와 90 Kg, 120 Kg, 150 Kg, 200 Kg, 250 Kg의 다양한 폴리실리콘 충진 크기에서 시뮬레이션을 통해 장비 온도 프로파일을 얻었으며, 실제값과 비교하고 분석하였다.
참고문헌 (9)
M. Hosenuzzaman, N.A. Rahim, J. Selvaraj, M. Hasanuzzaman, A.B.M.A. Malek and A. Nahar, "Global prospects, progress, policies, and environmental impact of solar photovoltaic power generation", Renewable and Sustainable Energy Reviews 41 (2015) 284.
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J. Friedrich, L. Stockmeier and G. Muller, "Constitutional supercooling in Czochralski growth of heavily doped silicon crystals", Acta Physica Polonica A 124 (2013) 219.
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B. Zhou, W. Chen, Z. Li, R. Yue, G. Liu and X. Huang, "Reduction of oxygen concentration by heater design during Czochralski Si growth", J. Cryst. Growth 483 (2018) 164.
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