[논문]단결정 실리콘 잉곳 결정성장 속도에 따른 고-액 경계면 형성 및 Defect 최적화

전혜준; 박주홍; 블라디미르 아르테미예프; 정재학

doi:10.21218/cpr.2020.8.1.017

단결정 실리콘 잉곳 결정성장 속도에 따른 고-액 경계면 형성 및 Defect 최적화
Melt-Crystal Interface Shape Formation by Crystal Growth Rate and Defect Optimization in Single Crystal Silicon Ingot 원문보기

Current photovoltaic research = 한국태양광발전학회논문지, v.8 no.1, 2020년, pp.17 - 26

전혜준 (화학공학과, 영남대학교) , 박주홍 (기술영업팀, 폴텍(주)) , 블라디미르 아르테미예프 (STR그룹, STR) , 정재학 (화학공학과, 영남대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

It is clear that monocrystalline Silicon (Si) ingots are the key raw material for semiconductors devices. In the present industries markets, most of monocrystalline Silicon (Si) ingots are made by Czochralski Process due to their advantages with low production cost and the big crystal diameters in comparison with other manufacturing process such as Float-Zone technique. However, the disadvantage of Czochralski Process is the presence of impurities such as oxygen or carbon from the quartz and graphite crucible which later will resulted in defects and then lowering the efficiency of Si wafer. The heat transfer plays an important role in the formation of Si ingots. However, the heat transfer generates convection in Si molten state which induces the defects in Si crystal. In this study, a crystal growth simulation software was used to optimize the Si crystal growth process. The furnace and system design were modified. The results showed the melt-crystal interface shape can affect the Si crystal growth rate and defect points. In this study, the defect points and desired interface shape were controlled by specific crystal growth rate condition.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Von Mises yield criterion in 2D (planar) loading conditions
그림 Fig. 2. Concentration of Vacancy and Interstitial-rich in Crystallization
그림 Fig. 3. (a) No Cooling system in Geometry, (b) Cooling system in Geometry
그림 Fig. 4. (a) Comparision of Temperature flow (b) Cooling system 3D
그림 Fig. 5. Temperature of (a) Non-Cooling system, (b) Cooling system
그림 Fig. 6. (a) Convex shape & (b) Concave shape
표 Table 1. Deference of T (K)
표 Table 2. Growth Rate
그림 Fig. 7. (a,b) Concentration of Ci-Cv in Crystal (0.3 mm/min Growth rate)
그림 Fig. 8. (a,b) Concentration of Cv-Ci in Crystal (0.3 mm/min Growth rate)
그림 Fig. 9. (a, b) Concentration of Ci-Cv in Crystal (1.5 mm/min Growth rate)
그림 Fig. 10. (a,b) Concentration of Cv-Ci in Crystal (1.5 mm/min Growth rate)
그림 Fig. 11. Approximate Plate Shape
그림 Fig. 12. (a,b) Concentration of Ci-Cv in Crystal (0.95 mm/min Growth rate)
그림 Fig. 13. (a,b) Concentration of Cv-Ci in Crystal (0.95 mm/min Growth rate)
표 Table 3. Growth Rate
그림 Fig. 14. (a) crystal in Cooling system (b) Melt-Crystal Interface shape in Cooling system (0.95 mm/min Growth rate) *The Color represents Temperature
그림 Fig. 15. Melt-Crystal Interface shape in (a) 1.05 mm/min Growth rate of Cooling system (b) 0.95 mm/min Growth rate of Non-Cooilg system *The Color represents Temperature
그림 Fig. 16. Defect Concentration (1/cm³)
그림 Fig. 17. Amorphous defact area (V/G(n) cm²min^-1 K^-1),Von-mises stress (MPA), Comsuption of Power (kW)
표 Table 4. Concentration of Defects By Growth Rate
표 Table 5. Result of experimental

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 Crystal Growth - Simultaion을 활용한 Czochralski 공정의 단결정 실리콘 결정성장속도에 따른Defect의 최적화 및 고-액 경계면의 개선을 연구하였으며, Cooling system으로 인한 0.95 (mm/min) 결정성장속도 기존대비 10.5% 향상 및 시간적 단축, Defect 20~40% 감소, 무결정결함영역(V/G(n))개선, Von-mises stress 조건 범위 만족의 결과를 도출하였다. 이 결과로부터 현재 산업에 이용되고 있는 단결정 실리콘 잉곳 성장에 Dislocation loops 형성의 최적화, 전기적 성질의 효율성을 높이며, 추가적인 설계로 인한 공정의 시간적 단축 및 Defect가 최적 화된 공정을 도출하였으며, 이를 기반으로 고품질화 및 높은 결정성장속도 구현으로 인한 공정의 효율성 향상을 위한 연구를 진행할 계획이다.

가설 설정

실제 성장로는 성장 과정에서 세계의 중심축을 일치시키기 어렵기에 완전한 축대칭으로는 어렵다. 그러므로 회전을 이용한 비대칭적 양상을줄임으로써, 본 연구는 축 대칭으로 가정한다. Czochralski 성장모사는 2차원 원통형 좌표계(2 Dimensional cylindrical coordinate)를 활용한다⁸⁾.

제안 방법

Czochralski 공정의 단결정 실리콘 잉곳의 결정성장속도에 따른 고-액 경계면 형성 및 최적의 Defects 농도 실험을 하였다. 결정성장속도로부터 고-액 경계면의 형태를 조정 및 개선이 가능하며 현재 산업에 사용되는 실리콘 웨이퍼 기판으로 전기적 성질이 우수한 Concave형태의 구현이 가능하다는 결과를 도출하였다.
\(V/Gn \)값과 \(V/Gn \) _\(critical\)값의 비교분석을 통해 Vacancy와 Interstitial의 결함의 예측을 할 수 있으며, 본 연구는 이를 통해 결정성장속도에 영향을 미치는 고-액 경계면의 형태 조정을 고 려하여 결함의 최적화 연구를 진행하였다.
다음의 식들은 전반적인 열의 이동에서 기체 흐름 효과와 Czochralski 잉곳 성장에서 석영 도가니 내에 유동 대류를 연구한 논문을 인용하였다¹⁰⁾.
이로 인해 Plate 형태에 근사치할수록 결함들의 농도가 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 공정내부 에 추가적인 설계로 공정의 시간 단축도 고려할 수 있음을 시뮬레이션을 통해 결과를 얻었다.
고-액 경계면의 형태에 따라 도핑제의 균일성을 향상 시킬 수 있으며, 잉곳으로 성장된 Necking, Shoulder 부분의 냉시스템 도입으로 결정성장속도를 증가 및 공정의 개선으로부터 최적화를 도출한다. 실리콘 잉곳은 결함들로부터 방해받는 Ntype, P-type 도핑의 불균일성 및 광열화 반응 그리고 Life-time 감소 등 효율성을 감소시키는 문제점들을 고려하여 이를 개선하고자 결정성장속도의 향상을 위한 추가적인 설계 도입 및 고-액경계면의 형태 조정을 위해 시뮬레이션을 진행하였다.
실험을 통해 Czochralski 공정을 통한 Si 잉곳 결정성장은 결 정성장속도로부터 고-액 경계면이 Concave와 Convex형태로 조정이 가능하다는 결과를 도출하였으며, 이에 결정성장속도 및 Cooling system으로부터 성장된 결정의 품질에 대해 고려해야하기에 무결정결함영역(V/G(n)), Von-mises stress(Mpa) 그리고 공정에 소비된 에너지(kW)에 대한 비교분석을 하였다 (Figs. 16, 17)
그러므로 실제 공정 진행 중 변수제어 및 결정성장의 문제점 파악은 챔버 외부에서의 시각적인 관찰로 정확한 예측의 한계점을 가지게 되며 또한, 문제점 파악시 수정 및 보완하여 재생산하기에 비용적, 시간적 손실이 크게 발생하게된다. 이러한 문제점을 개선하고 전체적인 공정의 최적화 구성할 수 있게하며, 결정성장을 목적으로사용되는 CG-Sim^Ⓡ (Crystal Growth Simlation)을 활용하여 실제 공정과 비교 분석으로부터 최적의 결과값을 도출할 수 있다.CG-Sim (Crystal Growth Simlation)은 하나의 결정성장-Data로 실제 공정에서의 데이터들을 수집하여 하나의 소프트웨어로 결합시킨 Package로 실제 공정의 전력10%, 온도차이 3%내의분석차이로 실제 공정과의 비교하여 공정의 효율성을 향상 시킬 수 있다.
현재 단결정 실리콘 잉곳의 생산성 증대 및 비용 절감 그리고 효율성 향상에 대한 필요성을 가지며, 단위면적당 효율성 그리고 life-time을 중점인 태양 전지 개발연구가 진행되고 있다. 이를 종합하여 공정의 최적화를 필요로 하며, 에너지 절감 및 불순물 감소 그리고 항복응력범 위만족 등을 계산하여 공정의 최적화를 도입한다. Czochralski공정은 Graphite Heater로부터 용융된 다결정질 실리콘을 실리콘 Seed를 주입함과 동시에 석영 도가니(SiO2 Crusible)와 Crystal의 역회전과 Seed의 Pulling으로 잉곳을 성장시킨다.

성능/효과

12로부터 도출한 C (Interstitial) - C (Vacancy)의 농도이다. Concave 형태에 근사함으로 Interstitial은 음의 값을 가지되며, Concave와의 Interstitial 농도는 11% 감소한 것을 확인하였다.
17에서 도출하였지만, 무결정결함영역과 Vonmises stress의 조건에 해당되지 않아 최적의 공정에서 제외된다. Defect Point는 Fig. 16와 같이 대체로 결정성장속도가 증가할수록 Vacancy의 농도는 증가, Interstitial의 농도는 감소되는 것을 확인할 수 있으며, Cooling system을 도입함으로써, Vacancy와 Interstitial의 두 개의 결함 모두의 농도가 감소됨을 결과로도출하였다(Table 4).
Fig. 15에서 GR1.05 (cooling)과 GR0.95 (non-cooling)비교 분석하였을 때 같은 고-액 경계면의 형태를 형성하지만 Defect concentration 24% 감소하였으며, 무결정결함영역(V/G(n)),Von-mises stress도 조건 범위에 만족한다. 또한, GR1.
10으로 나타내었다. Vacancy의 농도 차이는 결정성장속도 0.3 mm/min일때와 다르게 양의 값을 가 지게 되며, 결정성장속도의 향상으로 인해 Vacancy의 농도가 Interstitial의 농도보다 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. Concave 형태는 높은 Growth rate로 Interstitial의 형성이 감소 됨을 확인할 수 있다.
non-Cooling system의 GR 0.95 (non-cooling)가 최적의 결정 성장속도임을 확인하였으며, 같은 조건하에 Cooling system의 도입으로인한 GR0.95에서는 기존의 GR0.95 (non-cooling)에 보다 Defects concentration 30% 감소, 고-액 경계면 전체의 수 평적인 무결정결함영역 조건(V/Gn) 1.5 × 10-3 2\(min\) -1\(K \)-1min 에서 근사치한 범위로 기존대비 9% 개선하였으며, Von-misesstress는 조건 범위에 만족한 결과를 도출하였다.
14에서 확인할 수 있다.같은 수치의 결정성장속도지만 고-액 경계면의 형태가 다름을 확인할 수 있었고 즉, Cooling system의 도입으로 인해 고-액경계면의 형태는 기존 0.95 mm/min 결정성장속도와 비교 분석한 결과 Defect의 감소는 30% 차이가 있음을 확인할 수 있다.
8에서 고-액 경계면 부분은 높은 농도를 가지며, 결정 부분으로 갈수록낮아짐을 나타낸다. 결정 내부에 평균적 농도를 Table 4로부터 알 수 있으며, 이로써 Convex shape에는 Interstitial의 농도가 높음을 확인할 수 있었고 즉, Dislocation loop 영역임을 결과로 알 수 있다.
Czochralski 공정의 단결정 실리콘 잉곳의 결정성장속도에 따른 고-액 경계면 형성 및 최적의 Defects 농도 실험을 하였다. 결정성장속도로부터 고-액 경계면의 형태를 조정 및 개선이 가능하며 현재 산업에 사용되는 실리콘 웨이퍼 기판으로 전기적 성질이 우수한 Concave형태의 구현이 가능하다는 결과를 도출하였다. 이에 따른 결정성장시 품질을 결정하는 무결정결함 영역(V/G(n) \(cm\)²\(min\)^-1\(K \)^-1 ),Von-mises stress (Mpa) 비교 분석하였을 때, 결정성장속도와 Cooling system 도입 공정 실험 결과를 Table 5에 도출하였으며, Growth rate 0.
결정성장속도에 따른 고-액 경계면의 개선이 가능하다는 것을 확인하였으며, 0.95 mm/min의 결정성장속도를 설정하여 Fig. 12로부터 도출한 C (Interstitial) - C (Vacancy)의 농도이다. Concave 형태에 근사함으로 Interstitial은 음의 값을 가지되며, Concave와의 Interstitial 농도는 11% 감소한 것을 확인하였다.
고-액 경계면의 형태에 따라 도핑제의 균일성을 향상 시킬 수 있으며, 잉곳으로 성장된 Necking, Shoulder 부분의 냉시스템 도입으로 결정성장속도를 증가 및 공정의 개선으로부터 최적화를 도출한다.
5% 향상될 수 있다. 그러므로 동일한 경계면을 형성하면서 Cooling system으로인한 결정성장속도의 향상과 시간적 단축이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
95 (non-cooling)비교 분석하였을 때 같은 고-액 경계면의 형태를 형성하지만 Defect concentration 24% 감소하였으며, 무결정결함영역(V/G(n)),Von-mises stress도 조건 범위에 만족한다. 또한, GR1.05는 GR0.95 (non-cooling)보다 결정성장속도 10.5% 향상된 실험결 과를 도출하였다.

후속연구

5% 향상 및 시간적 단축, Defect 20~40% 감소, 무결정결함영역(V/G(n))개선, Von-mises stress 조건 범위 만족의 결과를 도출하였다. 이 결과로부터 현재 산업에 이용되고 있는 단결정 실리콘 잉곳 성장에 Dislocation loops 형성의 최적화, 전기적 성질의 효율성을 높이며, 추가적인 설계로 인한 공정의 시간적 단축 및 Defect가 최적 화된 공정을 도출하였으며, 이를 기반으로 고품질화 및 높은 결정성장속도 구현으로 인한 공정의 효율성 향상을 위한 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단결정실리콘 잉곳의 장점은?	Czochralski 공정은 고온으로부터 고순도의 실리콘을 석영 도가니(SiO2 Crusible)안에 용융시켜 실리콘 결정 성장을 진행하여 실리콘 기둥 즉 잉곳을 생산한다. 단결정실리콘 잉곳은 다결정 실리콘에 비해 높은 효율성을 도출하며 태양전지기판으로써 장점을 가지고 있다. 하지만 다결정 실리콘에 비해 높은 생산 비용의 문제점을 나타낸다.
	Czochralski 공정이란?	실리콘은 다결정 실리콘(Poly)과 단결정 실리콘(Mono)로 구분이 되며, 단결정실리콘 잉곳을 생산하는 공정은 대부분 Czochralski 공정을 활용한다. Czochralski 공정은 고온으로부터 고순도의 실리콘을 석영 도가니(SiO2 Crusible)안에 용융시켜 실리콘 결정 성장을 진행하여 실리콘 기둥 즉 잉곳을 생산한다. 단결정실리콘 잉곳은 다결정 실리콘에 비해 높은 효율성을 도출하며 태양전지기판으로써 장점을 가지고 있다.
	단결정실리콘 잉곳이 지닌 단점은?	단결정실리콘 잉곳은 다결정 실리콘에 비해 높은 효율성을 도출하며 태양전지기판으로써 장점을 가지고 있다. 하지만 다결정 실리콘에 비해 높은 생산 비용의 문제점을 나타낸다. 현재 단결정 실리콘 잉곳의 생산성 증대 및 비용 절감 그리고 효율성 향상에 대한 필요성을 가지며, 단위면적당 효율성 그리고 life-time을 중점인 태양 전지 개발연구가 진행되고 있다.

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Kim, H., "A Study on Dynamic Heat Flux for 450mm Single Crystal Silicon Growth under Ma`gnetic Fields," Hanyang University Master's Thesis.

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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