[논문]쵸크랄스키법 실리콘 성장로에서 핫존 온도분포 경향에 대한 히터와 석영도가니의 상대적 위치의 영향

김광훈; 권세진; 김일환; 박준성; 심태헌; 박재근

doi:10.6111/jkcgct.2018.28.5.179

[국내논문] 쵸크랄스키법 실리콘 성장로에서 핫존 온도분포 경향에 대한 히터와 석영도가니의 상대적 위치의 영향
Influence of relative distance between heater and quartz crucible on temperature profile of hot-zone in Czochralski silicon crystal growth 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.5, 2018년, pp.179 - 184

김광훈 (웅진에너지연구소) , 권세진 (웅진에너지연구소) , 김일환 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 박준성 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 심태헌 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과) , 박재근 (한양대학교 전자컴퓨터통신공학과)

초록
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고효율 태양전지용 단결정 실리콘 웨이퍼는 쵸크랄스키 성장법으로 석영도가니 속의 실리콘 액체에서 단결정 잉곳을 성장시켜 제조된다. 석영도가니 성분 중의 하나는 산소는 실리콘 잉곳으로 유입되고, 태양전지의 전력변환 효율 저하 문제를 발생시킨다. 이러한 산소 유입을 줄이는 다양한 방법 중 하나는 히터의 모양과 구조를 변경하는 방법이 있다. 그러나 히터 구조 변경 시 단결정 실리콘 잉곳 바디 성장에 필요한 온도 분포경향에 큰 변화를 일으킨다. 따라서 본 연구에서는 쵸크랄스키 실리콘 성장에서 다양한 히터의 구조와, 히터와 석영도가니의 상대적 위치가 단결정 실리콘 잉곳 Body 성장 시의 ATC 온도와 Power 분포경향에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 삼중점과 히터 중심과의 위치가 가장 먼 SSH-Low가 가장 높은 ATC 온도 분포경향을 보여주었다. 또한 길이가 짧은 Short Side Heater(SSH-Up, SSH-Low)보다는 실리콘 액체를 담고 있는 석영도가니 측면의 많은 영역을 커버할 수 있는 일반 Side Heater(SH)가 가장 Power 소모 측면에서 유리하였다. 특히 본 연구 결과를 통해 고효율 태양전지용 단결정 실리콘 잉곳 성장 시 필요한 효율적인 ATC 온도를 예측할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To lessen oxygen concentrations in a wafer through modifying the length of graphite heaters, we investigated the influence of relative distance from heater to quartz crucible on temperature profile of hot-zone in Czochralski silicon-crystal growth by simulation. In particular, ATC temperature and power profiles as a function of different ingot body positions were investigated for five different heater designs; (a) typical side heater (SH), (b) short side heater-up (SSH-up), (c) short side heater-low (SSH-low), (d) bottom heater without side heater (Only-BH), and (e) side heater with bottom heater (SH + BH). It was confirmed that lower short side heater exhibited the highest ATC temperature, which was attributed to the longest distance from triple point to heater center. In addition, for the viewpoint of energy efficiency, it was observed that the typical side heater showed the lowest power because it heated more area of quartz crucible than that of others. This result provides the possibility to predict the feed-forward delta temperature profile as a function of various heater designs.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1 Physical properties for simulation
그림 Fig. 1. Schematic diagram of various heater types (Each figure is half figure of front view of 24-inch quartz crucible, 8.3-inch diameter ingot, heater, and heat shield).
그림 Fig. 2. Position of temperature sensor in simulated temperature contour map of grower.
그림 Fig. 3. ATC temperature [K] profiles as a function of the ingot body length [meter].
그림 Fig. 4. Delta temperature (= (ATC at zero meter) − (ATC at each length)) as a function of the ingot body length [meter].
그림 Fig. 5. Power profiles as a function of the ingot body length [meter].
그림 Fig. 6. The relative distances from heater to both triple point and ATC sensor point.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 진공챔버 성장로 안의 모든 변수 변화에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 품질 결과의 예측은 실제 실험을 통해서 규명할 경우, 많은 시간과 비용이 수반되기 때문에 이러한 자원을 절약하기 위하여 시뮬레이션 수행을 통하여 가능하다[21]. 그러므로 본 연구에서는, 쵸크랄스키법에서 히터 구조 변화와 석영도가니의 상대적 위치 변화가 핫존 온도 분포경향에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 관계성을 연구하였다. 특히, 그라파이트 부품의 온도 분포 변화의 단결정 실리콘 잉곳 길이 변화에 대한 의존성을 조사하였고, 다양한 히터의 길이와 석영도가니와의 상대적 위치를 변경하여 핫존에서의 온도 차이를 규명하였다.

제안 방법

본 연구에서는 다양한 히터의 구조 모양과 상대적 위치에 따라 단결정 실리콘 잉곳 Body 성장 시의 ATC 온도와 Power 분포 경향이 어떻게 영향을 받는지에 대하여 조사 하였다. 삼중점과 히터 중심과의 거리가 가장 먼 SSH-Low가 가장 높은 ATC 온도 분포 경향을 보여 주었고, 가장 가까운 거리의 SSH-Up이 가장 낮은 ATC 온도 분포 경향을 보였으며, 나머지는 그 중간 온도 분포 경향을 보인다는 것을 확인 하였다.
그러므로 본 연구에서는, 쵸크랄스키법에서 히터 구조 변화와 석영도가니의 상대적 위치 변화가 핫존 온도 분포경향에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 관계성을 연구하였다. 특히, 그라파이트 부품의 온도 분포 변화의 단결정 실리콘 잉곳 길이 변화에 대한 의존성을 조사하였고, 다양한 히터의 길이와 석영도가니와의 상대적 위치를 변경하여 핫존에서의 온도 차이를 규명하였다.

대상 데이터

1에 나타내었다. Fig. 1(a)는 길이가 긴 ~500 mm 길이의 Side Heater(SH), Fig. 1(b)는 히터의 길이를 절반으로 줄었으며 상부에 위치한 Short Side Heater-Up (SSH-Up), Fig. 1(c)는 히터의 길이가 절반으로 줄었으며 하부에 위치한 Short Side Heater-Low(SSH-Low), Fig. 1(d)는 Side Heater가 없는 ~150 mm 길이의 Bottom Heater(Only-BH), Fig. 1(e)는 Side Heater와 Bottom Heater가 함께 있는 Side Heater with Bottom Heater(SH + BH)이다. 핫존은 ~400 mm 높이와 24인치 크기의 석영도가니를 사용하였으며, 폴리실리콘 충진 사이즈는 197 kg을 사용하였다.
각 재료의 물성 중 주요 부품의 물리적 상수 값은 Table 1에 표기하였다. 모든 부품과 실리콘 액체와 고체의 시뮬레이션 도면은 사각형과 삼각형의 작은 그리드와 메쉬로 분할하였다[23]. 지배방정식, 초기 초건, 경계 조건은 CGSim에서 제공하는 정보를 사용하였으며, 실리콘 액체 대류와 Ar 가스 대류를 통한 운동량전달도 제공되는 것을 적용하였다.
본 연구의 시뮬레이션 실험은 상용 소프트웨어인 CGSim으로 진행하였다. CGSim은 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위한 진공챔버 성장로 안의 Global 시뮬레이션을 할 수 있는 소프트웨어이다[22].

성능/효과

본 연구에서는 다양한 히터의 구조 모양과 상대적 위치에 따라 단결정 실리콘 잉곳 Body 성장 시의 ATC 온도와 Power 분포 경향이 어떻게 영향을 받는지에 대하여 조사 하였다. 삼중점과 히터 중심과의 거리가 가장 먼 SSH-Low가 가장 높은 ATC 온도 분포 경향을 보여 주었고, 가장 가까운 거리의 SSH-Up이 가장 낮은 ATC 온도 분포 경향을 보였으며, 나머지는 그 중간 온도 분포 경향을 보인다는 것을 확인 하였다. 또한, 에너지 효율 측면에서는 길이가 짧은 Short Side Heater(SSH-Up, SSH-Low)보다는 실리콘 액체를 담고 있는 석영도가니 측면의 많은 영역에 열을 가할 수 있는 일반 Side Heater (SH)가 Power가 가장 낮게 소모되므로 가장 효율적이다.
잉곳 성장 시 Feed-forward로 제어하기 위해 필요한 Delta 온도 분포경향은 히터와 석영도가니의 상대적 위치 관계에 따라 히터 구조 및 크기 설계에 대해 매우 다른 양상을 보여주는 것을 확인하였다. 결론적으로, 본 연구를 통해 쵸크랄스키법 실리콘 단결정 성장 시 필요한 ATC 온도 프로그램을 예측하여 사용할 수 있는 가능성을 확인하게 되었다.
삼중점과 히터 중심과의 거리가 가장 먼 SSH-Low가 가장 높은 ATC 온도 분포 경향을 보여 주었고, 가장 가까운 거리의 SSH-Up이 가장 낮은 ATC 온도 분포 경향을 보였으며, 나머지는 그 중간 온도 분포 경향을 보인다는 것을 확인 하였다. 또한, 에너지 효율 측면에서는 길이가 짧은 Short Side Heater(SSH-Up, SSH-Low)보다는 실리콘 액체를 담고 있는 석영도가니 측면의 많은 영역에 열을 가할 수 있는 일반 Side Heater (SH)가 Power가 가장 낮게 소모되므로 가장 효율적이다. 잉곳 성장 시 Feed-forward로 제어하기 위해 필요한 Delta 온도 분포경향은 히터와 석영도가니의 상대적 위치 관계에 따라 히터 구조 및 크기 설계에 대해 매우 다른 양상을 보여주는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단결정 잉곳을 생산하는 대중적인 방법은 무엇인가?	제조원가는 다결정 실리콘 웨이퍼 소재가 더 낮지만, 실리콘 소재의 이론한계효율까지 기술 개발을 진행 중에 있어, 향후 단결정 실리콘 wafer 소재가 더 많은 비중을 차지할 것으로 예측된다. 단결정 실리콘 웨이퍼는 쵸크랄스키 방법으로 만들어지며, 이러한 쵸크랄스키 방법은 단결정 잉곳을 생산하는 매우 대중적인 일반적인 방법이다. 일반 적으로 불순물을 관리하기 위하여, 석영도가니 안에 도판트와 함께 폴리 실리콘을 쌓고[8], 진공챔버 안에서 그라파이트 히터로 가열하여 액체 실리콘으로 상 변태 시킨 후, 단결정 실리콘 종자결정을 액체에 접촉시켜 온도제어를 하며 위쪽으로 서서히 끌어 올리면서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킨다.
	현재 태양광발전에서 가장 많이 쓰이는 소재는 무엇인가?	대표적인 신재생에너지 중 하나는 무한에 가까운 태양에서 오는 빛을 전기에너지로 바꾸는 태양광발전에너지이다 [4-6]. 태양광발전을 위한 가장 많이 사용되는 소재는 실리콘이며, 현재까지 다결정 실리콘 태양전지가 단결정 실리콘 태양전지보다 더 많이 설치되어 왔다[7]. 다결정 실리콘 태양전지의 소재인 웨이퍼 안에는 grain boundary 가 많이 존재하므로, 일반적으로 단결정 실리콘 웨이퍼 소재보다 태양전지의 전력변환 효율이 낮다.
	단결정 실리콘 잉곳 성장을 위해 산소를 제거하는 이유는 무엇인가?	대부분의 산소는 실리콘과 결합한 채로 기체와 접촉한 free surface를 통하여 증발하지만, 1~2 %의 산소는 고체 단결정 실리콘 잉곳 안으로 유입 된다. 이러한 산소는 태양전지 제조 시 산소 석출물을 만들거나 oxidation induced stacking faults(OiSF)를 만들어 셀 효율을 저하시키며[9, 10], p-type 태양전지 웨이퍼의 경우 boron과 함께 광열화현상(LID)를 야기하여셀 효율이 저하된다[11-13]. 따라서 단결정 실리콘 잉곳 성장 시 다양한 방법으로 산소농도를 낮추는 것이 연구 개발되고 있다[14-17].

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