[논문]Pulling rate, rotation speed 및 melt charge level 최적화에 의한 쵸크랄스키 공정 실리콘 단결정의 O2 불순물 최소화 설계

전혜준; 박주홍; 블라디미르 아르테미예프; 황선희; 송수진; 김나영; 정재학

doi:10.9713/kcer.2020.58.3.369

Pulling rate, rotation speed 및 melt charge level 최적화에 의한 쵸크랄스키 공정 실리콘 단결정의 O2 불순물 최소화 설계
A Czochralski Process Design for Si-single Crystal O2 Impurity Minimization with Pulling Rate, Rotation Speed and Melt Charge Level Optimization 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.3, 2020년, pp.369 - 380

전혜준 (영남대학교 화학공학부) , 박주홍 (폴텍(주) 기술영업팀) , 블라디미르 아르테미예프 (STR그룹, STR) , 황선희 (영남대학교 화학공학부) , 송수진 (영남대학교 화학공학부) , 김나영 (영남대학교 화학공학부) , 정재학 (영남대학교 화학공학부)

초록
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대부분의 단결정 실리콘 잉곳은 초크랄스키(Czochralski(Cz)) 공정으로 제조된다. 그러나 단결정 실리콘 잉곳을 제품화 및 태양 전지 기판으로 가공하였을 때 산소 불순물이 있는 경우 낮은 효율성을 나타내는 경향이 있다. 단결정 Si-잉곳의 생산을 위해서는 용융 Si를 녹인 다음 단결정 Si의 시드(Seed)로 결정화하는 초크랄스키(Cz) 공정을 도입한다. 용융된 다결정 Si-덩어리를 단결정 Si-잉곳으로 결정성장 될 때, 열 전달은 Cz-공정의 구조에서 중요한 역할을 한다. 본 연구에서 고품질 단결정 실리콘 잉곳을 얻기 위해 Cz-공정의 최적화된 설계를 구성하였다. 결정 성장 시뮬레이션로부터 결정성장을 위한 Pulling rate 및 Rotation speed에 최적의 변수값을 형성하기 위해 사용되었으며, 변형된 Cz-공정에 대한 연구 및 해당 결과가 논의되며 결정 성장 시뮬레이션을 사용하여 Cz-공정의 Pulling rate, Rotation speed 및 Melt charge level의 최적화된 설계로 인한 결정성장시 단결정 실리콘으로 유입되는 산소 농도 최소화를 설계하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most mono-crystalline silicon ingots are manufactured by the Czochralski (Cz) process. But If there are oxygen impurities, These Si-ingot tends to show low-efficiency when it is processed to be solar cell substrate. For making single-crystal Si- ingot, We need Czochralski (Cz) process which melts molten Si and then crystallizing it with seed of single-crystal Si. For melts poly Si-chunk and forming of single-crystalline Si-ingot, the heat transfer plays a main role in the structure of Cz-process. In this study to obtain high-quality Si ingot, the Cz-process was modified with the process design. The crystal growth simulation was employed with pulling rate and rotation speed optimization. Studies for modified Cz-process and the corresponding results have been discussed. The results revealed that using crystal growth simulation, we optimized the oxygen concentration of single crystal silicon by the optimal design of the pulling rate, rotation speed and melt charge level of Cz-process.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. (a) The structure and materials of the Czochralski and (b) Temperature of Chamber.
그림 Fig. 2. Diffusion of Oxygen from Crucible (Silica).
그림 Fig. 3. Among the convection directions produced from the quartz crucible, (a) is Non-crucible rotation and (b) the seed rotation and reverse rotation of the crucible.
그림 Fig. 4. Convection direction of Si-molten state by Crucible rotation speed based on Pulling speed 1 mm/min & Seed (crystal) speed 10 (a) 10/-2, (b) 10/-3, (c) 10/-4, (d) 10/-5, (e) 10/-6, (f) 10/-7, (g) 10/-8
그림 Fig. 5. Oxygen diffusion from oxygen concentration ppma by rotation speed(a)-(g).
그림 Fig. 6. Base on the pulling speed 1 mm/min (a) The determination of oxygen concentration is analyzed from the melt-crystal interface. (b) Analysis results of oxygen concentration (ppma) by rotation, (c) Average oxygen concentration by rotation.
그림 Fig. 7. Consumption of power by Crucible rotation speed.
그림 Fig. 8. (a) Description of Non-fixed seed rotation, (b) Analysis results of oxygen concentration (ppma), (c) average oxygen concentration by seed rotation.
그림 Fig. 9. Consumption of power by Seed rotation speed.
그림 Fig. 10. (a) Description of pulling rate (b) The appearance of Melt-crystal interface is changed according to pulling speed. (c) Average oxygen concentration (ppma), (d) Average V/G value (cm²/min/k), (e) Power (kW) by Pulling speed.
표 Table 1. Analysis result of Oxygen concentration and Power by Crucible rotation speed
표 Table 2. Analysis result of Oxygen concentration and Power by Seed rotation speed
그림 Fig. 11. (a)-(e) are shown for each silicon charge.
표 Table 3. Analysis result of Oxygen concentration, V/G(Free-defect area) and Power by Pulling speed
그림 Fig. 12. Convection of melt and oxygen diffusion were shown for each melt charge level.
표 Table 4. Analysis result of Oxygen concentration and Power by Melt Charge level
그림 Fig. 13. Indicated (a) Analysis results of oxygen concentration (ppma) by melt charge level, (b) Average oxygen concentration by melt charge level. (c) Consumption of power by melt charge level.

AI 본문요약
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문제 정의

CGSim®열전달을 통한 온도 분석 및 Gas와 Melt 대류 분석, 결정 결함 및 응력 계산 등을 통해 최적의 도가니 디자인과 공정조건 및 결정 품질 향상을 구현해 내는데 사용되므로 이를 활용하여 Melt charge level과 최적의 Seed(Crystal)/Crucible rotation speed와 Pulling speed 조절로 인한 산소농도 변화량을 연구하는 것을 목적으로 하였다.
본 연구는 Czochralski 공정에서 성장되는 단결정 실리콘 잉곳의 품질과 이 잉곳으로 만들어진 태양전지의 효율성 향상을 목표로 초고온에서의 석영도가니(Silca)로부터 생성되는 불순물의 대표인 산소 농도를 최소화하여 단결정 실리콘 잉곳의 효율성을 향상시키고자 연구를 진행하였으며, Crystal Growth Simulation을 기반으로 최적의 Seed/Crucible Rotation speed 및 Pulling rate를 선정하여 기존 산소농도로부터 약 2~3% 감소, 무결정 결함 영역의 수치를 나타내는 V/G값의 개선 그리고 이를 기반으로 산소 농도 최소화를 위한 Melt charge level의 최적화로 약 10% 불순물 감소의 결과를 도출하였다. 산소는 Vacancy와 같은 결함과 함께 결정의 품질 및최종 제품의 효율성 그리고 Life time을 악화시키는 원인이기에 산소 농도의 약 10% 절감은 매우 획기적인 결과라 할 수 있다.
뿐만 아니라, 결정을 성장시키는 주요 공정 기술인 Pulling rate제어에 따라 산소 농도 변화에 관여한다. 본 연구는 Czochralski 공정으로 부터 결정성장되는 단결정 실리콘 불순물 중 대표적 결함을 유도하는 산소를 중점으로 불순물 농도의 최소화를 목표로 두며 전산적 기법을 사용하였다. Czochralski 공정을 기반으로 형성되었으며 결정성장관련 Data를 수집하여 하나의 Package로 결합시킨 소프트웨어인 CG-sim^®(Crystal Growth Simulation)을 활용하였다.
9%차이를 나타내었다. 본 연구는 불순물을 최소화하는 것이 목표이며, 산소의 농도차가 미미하므로 결정의 품질성을 나타내는 V/G_(n)값을 고려하였으며, 전력소비 차이가 V/G_(n)대비 낮은 비율을 나타내므로 0.8 [mm/min]을 최적의 Pulling rate로 선정하였다. 선정된 최적의 변수들로부터 Melt charge level의 따른 최적의 설계를 도출 및 최종적인 산소 농도 변화량 분석과 최소화 시뮬레이션을 진행하였다.
28%의 차이를 나타내고 있다. 하지만 산소 농도 감소 대비 에너지소비량은 1:0.9차이로 양호하다고 판단하며, 본 연구는 전체적인 설계를 불순물 최소화에 목표로 하였다. Seed/Crucible Rotation speed는 감소할수록 산소 농도가 감소된 결과를 도출하였으며, 시뮬레이션으로부터 약 2~3% 산소 농도 최소화의 결과를 도출하였고, Pulling rate는 불순물의 농도 변화량은 큰 영향력이 없음을 보였지만, 결정의 품질성을 나타내는 무결정 결함영역의 차이와 이로 인해 개선이 가능하다는 것을 확인하였다.

가설 설정

10. (a) Description of pulling rate (b) The appearance of Melt-crystal interface is changed according to pulling speed. (c) Average oxygen concentration (ppma), (d) Average V/G value (cm ² /min/k), (e) Power (kW) by Pulling speed.
Czochralski 공정의 결정성장은 기하학적 구조가 축 대칭이며, 성장하는 결정의 특성은 등방성이다. 본 연구는 완전 축 대칭으로 가정하여 전개한다. CG-Sim^®은 2차원 원통형 좌표(two-dimensional cylindrical coordinate)를 적용하며, 열과 기체의 흐름 그리고 Crucible 내부에 발생되는 유동 현상에 대한 설명을 방정식들로 나타낸다.
Reynolds 수(Re), Grashof 수(Gr), Prantle 수(Pr) 등의 전산적인 모델로부터 해석 및 연구가 진행되고 있으며 온도 분포와 유체의 흐름을 해석하기 위해 미분방정식의 연속방정식(식 (1)), 각 속도의 성분에 대한 운동량방정식(식 (2))과 에너지 방정식(식 (3))을 지배 방정식으로 사용한다. 비압축성 유체를 가정하고 이들을 데카르트 좌표계(Cartesian coordinate)의 텐서 형으로 표현하였으며 그 설명은 Reference에 나타내었다[14-17].

제안 방법

이들 최적 변수를 고정한 후 마지막으로 Melt charge level을 최적화 하였다. 그러므로 최적화 기법을 활용하여 적절한 속도로부터 산소의 변화량을 측정 및 비교 분석하였다. 본 연구를 진행하기 위해 유체의 대류 양상과 관련된 특정 변수제어의 기준 값을 Pulling rate 1(mm/min), Seed(Crystal)/Crucible Rotation speed 10/-8(rpm)로 하였고, 기준 값으로 부터최적의 Seed rotation/ crucible rotation speed, Pulling rate 및 Melt charge level을 도출하여 산소농도 최소화 연구를 진행하였다[19].
10(d)에서 나타내는 V/G_(n)값은 결정의 직경으로부터 평균값을 나타내고 있으며, 보다 정확한 수치해석 및 판단을 위해 수직적인 값을 나타내는 V/G값으로부터 최적의 결과를 선정한다. 무결정 결함영역 만족 범위에서 근사치한 값을 판단하여 최적의 결과로 선정하였다. Fig.
그러므로 최적화 기법을 활용하여 적절한 속도로부터 산소의 변화량을 측정 및 비교 분석하였다. 본 연구를 진행하기 위해 유체의 대류 양상과 관련된 특정 변수제어의 기준 값을 Pulling rate 1(mm/min), Seed(Crystal)/Crucible Rotation speed 10/-8(rpm)로 하였고, 기준 값으로 부터최적의 Seed rotation/ crucible rotation speed, Pulling rate 및 Melt charge level을 도출하여 산소농도 최소화 연구를 진행하였다[19].
즉, Rotation speed가 감소할수록 전체적인 산소 농도가 감소됨을 결과로부터 나타낼 수 있었고, 제한된 값에 도달했을 때 다시금 산소 농도가 증가함을 보였다. 선정된 최적의 Rotation speed를 적용하여 최적의 Pulling rate선정과 산소농도 최소화를 위한 실험을 진행하였다.
8 [mm/min]을 최적의 Pulling rate로 선정하였다. 선정된 최적의 변수들로부터 Melt charge level의 따른 최적의 설계를 도출 및 최종적인 산소 농도 변화량 분석과 최소화 시뮬레이션을 진행하였다.
이에 본 연구는 Crucible diameter 24inch 및 Pull charge(85 kg)을 장입 공정을 대상으로 진행하였다. 우선 Melt charge level은 85 k로, Pulling rate 1 mm/min (태양전지 Cell용 단결정 Si 잉곳의 현장에서의 평균 생산속도)로 고정한 후 Crucible rotation과 Seed rotation의 최적 비율 및 속도를 얻어내고, 이 값을 고정한 후 Pulling rate의 실제 공정 현장에서 사용허가범위 및 단결정 결함회피 범위를 제약 조건으로 최적화 하였다. 이들 최적 변수를 고정한 후 마지막으로 Melt charge level을 최적화 하였다.
산소 확산의 방향성을 보았을 때, 산소의 확산 방향이 점차 결정부분이 아닌 유체의 표면 방향으로(Melt free interface)흘러가는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 유체의 대류양상이 Melt charge level의 조정으로 점차 흐름의 변함을 보였고, 결정내부로 유입되는 산소 농도에 영향을 미친 다는 것을 예측하며 시뮬레이션 결과로부터 비교 분석하였다.
우선 Melt charge level은 85 k로, Pulling rate 1 mm/min (태양전지 Cell용 단결정 Si 잉곳의 현장에서의 평균 생산속도)로 고정한 후 Crucible rotation과 Seed rotation의 최적 비율 및 속도를 얻어내고, 이 값을 고정한 후 Pulling rate의 실제 공정 현장에서 사용허가범위 및 단결정 결함회피 범위를 제약 조건으로 최적화 하였다. 이들 최적 변수를 고정한 후 마지막으로 Melt charge level을 최적화 하였다. 그러므로 최적화 기법을 활용하여 적절한 속도로부터 산소의 변화량을 측정 및 비교 분석하였다.
Melt charge의 변화를 준다는 것은 Crucible과 고-액 경계면(Melt-Crystal interface) 과의 거리가 점차 근접해지면서 그 만큼 유체의 유동거리가 짧아진 다는 의미를 갖게 된다. 이로 인해 Crucible 내부 표면에서 Sicrystal 내부에 유입까지의 거리 및 유체의 흐름과 역 방향으로 진행 되는 Rotation간의 유동 마찰을 고려하여 Melt charge level에 따른 유동의 변화를 확인하였고, 산소 농도 최소화를 위한 시뮬레이션을 진행하였다.
그래서 Cz 공정 Simulation에 효과 적으로 사용되고 있는 S/W이다. 이를 통해 단결정 실리콘 결정성 장에 있어 최적화 기법을 활용하여 특정 변수 제어(Seed(Crystal)/Crucible rotation speed, Pulling rate) 및 Si-melt charge level을 변수로 하여 산소 농도 최소화를 목적 함수로 하는 시뮬레이션 연구를 진행하였다.
높은 속도일수록 대류들의 분산이 일어나고 유체의 흔들림이 높아진다는 것을 판단하였다. 이에 따른 Crucible rotation speed별 산소의 확산과 농도의 변화량을 비교 분석하였다.
에너지소비량은 전체적 72 kW내의 범위를 벗어나지 않기에 에너지소비량의 차이는 미미하다. 일정한 결정 성장을 위한 Rotation간유지 비율을 rpm 2~3의 간격으로 설정하였기에 Seed rotation speed의 감소는 6 rpm까지 제한하였으며, 6/-3의 Rotation값을 최적의 산소 농도 최소화를 위한 수치 값으로 판단하였다. 실험 결과 중 Rotation speed 10/-3보다 약 3%이상 차이가 나는 것을 결과로부터 확인할 수 있었다.
속도가 감소할수록 에너지 소비량이 미미하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 하지만 산소 농도의 절감 대비 에너지 소비량을 대조하였을 때 10/-3이 10/-4보다 에너지 소비량이 높으나 그 차이는 산소 농도의 최소화를 중점으로 두었을 때 0.19%의 미미한 차이로 10/-3 Rotation speed를 최적의 산소농도 결과 값으로 선정하였으며, Crucible rotation뿐만 아닌 Seed rotation speed에 변수를 주어 산소 농도의 변화량을 비교 분석하였다.

대상 데이터

또 Melt charge level은 1회 생산 Batch 의 양을 좌우하므로 생산성에 직접적 영향을 끼치는 인자로 그 자유도가 실제 공정 생산으로부터 한계점을 가질 가능성이 많아 실제 공정에서의 상,하 한계를 따라야만 하는 제약이 존재한다. 이에 본 연구는 Crucible diameter 24inch 및 Pull charge(85 kg)을 장입 공정을 대상으로 진행하였다. 우선 Melt charge level은 85 k로, Pulling rate 1 mm/min (태양전지 Cell용 단결정 Si 잉곳의 현장에서의 평균 생산속도)로 고정한 후 Crucible rotation과 Seed rotation의 최적 비율 및 속도를 얻어내고, 이 값을 고정한 후 Pulling rate의 실제 공정 현장에서 사용허가범위 및 단결정 결함회피 범위를 제약 조건으로 최적화 하였다.

이론/모형

Czochralski 공정을 기반으로 형성되었으며 결정성장관련 Data를 수집하여 하나의 Package로 결합시킨 소프트웨어인 CG-sim®(Crystal Growth Simulation)을 활용하였다.

성능/효과

12는 Melt charge level별 유체의 흐름과 산소 확산에 대한 결과를 나타내었다. Fig. 9(a)의 Melt charge level 100% (162.8 kg) 에서 유체의 대류 양상을 확인하였을 때 크게 두 개의 구간으로 대류 양상이 진행됨을 확인할 수 있으며, 고-액 경계면(Melt-Crystal interface)방향 쪽에 큰 대류 양상이 이루어지고 있음을 확인할 수 있다. 결정 방향으로 대류 양상이 크게 이루어진다는 것은 산소 확산의 방향성이 결정방향으로 더 유도됨을 판단할 수 있으며, (a)에서(e)로 갈수록 크게 분리된 두개의 대류양상이 하나의 유동체로 결합 되어가는 모습을 확인할 수 있다.
6(b),(c)에서 나타내었다. Rotation speed가 감소할수록 결정으로 유입되는 산소 농도의 분포가 감소됨 을 보였고 산소를 포함한 유체의 유동이 Rotation speed에 영향을 받는다는 것을 알 수 있으며, 속도가 높을수록 단결정 실리콘 결정 방향으로 흐름을 유도된다고 판단하였다. 하지만 적절한 속도가 존재한다는 것을 Fig.
Seed rotation speed에 변화를 주어 시뮬레이션을 한 결과 Crucible speed의 결과와 마찬가지로 속도가 감소할수록 산소 농도가 감소됨을 나타내었다. 에너지소비량은 전체적 72 kW내의 범위를 벗어나지 않기에 에너지소비량의 차이는 미미하다.
9차이로 양호하다고 판단하며, 본 연구는 전체적인 설계를 불순물 최소화에 목표로 하였다. Seed/Crucible Rotation speed는 감소할수록 산소 농도가 감소된 결과를 도출하였으며, 시뮬레이션으로부터 약 2~3% 산소 농도 최소화의 결과를 도출하였고, Pulling rate는 불순물의 농도 변화량은 큰 영향력이 없음을 보였지만, 결정의 품질성을 나타내는 무결정 결함영역의 차이와 이로 인해 개선이 가능하다는 것을 확인하였다. 이를 기반으로 Seed/Crucible rotation, Pulling rate, Melt charge level의 최적화 및 산소 농도의 최소화 기법을 확보로 Si-ingot의 효율성 개선을 위한 도약, 공정 변수제어(Seed(crystal)-Crucible rotation speed, Pulling rate) 및 Melt charge level의 최적화된 설계로부터 약 10%의 산소 농도 감소 및 최소화된 결과를 도출하였다.
3(b)와 같이 대류 양상이 변화하므로 산소의 확산 방향이 변화하게 된다. 결과적으로 Crucible의 회전속도와 방향, Seed의 회전속도와 Pulling rate, 그리고 Crucible의 Si-melt charge level은 모두 산소 불순물의 잉곳 도달에 영향을 준다. 위 3가지 변수는 서로 영향을 주겠으나 Crucible의 Si-melt charge level은 나머지 두 변수와는 비교적 그 상호 영향이 작다.
Crucible rotation speed는 속도가 낮아짐에 따라 원심펌프효과(Centrifugal pumping)가 감소되어 안정적인 유체의 유동이 생기는데 Rotation speed가 Seed rotation의 역방향으로 증가할수록 대류 양상이 분산 되는 것을 확인할 수 있다. 높은 속도일수록 대류들의 분산이 일어나고 유체의 흔들림이 높아진다는 것을 판단하였다. 이에 따른 Crucible rotation speed별 산소의 확산과 농도의 변화량을 비교 분석하였다.
즉, Crucible rotation speed가 감소할수록 산소농도가 최소화되지만 제한된 속도가 되면 Seed (crystal) Rotation speed와 Pulling rate로부터 영향을 받는다는 것을 알 수 있으며, 적절한 속도가 필요함을 결과로부터 판단 할 수 있었다. 또한, Rotation speed의 변수가 주어질 때 마다 공정 내부에 필요한 에너지 출력 값이 달라진다는 것을 결과로부터 확인하였다. 속도가 감소할수록 에너지 소비량이 미미하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
8%차이를 보였다. 또한, 에너지 소비량을 확인하였을 때 Pulling speed가 증가할수록 에너지소비량은 감소함을 보였고 전체적으로 5.9%차이를 나타내었다. 본 연구는 불순물을 최소화하는 것이 목표이며, 산소의 농도차가 미미하므로 결정의 품질성을 나타내는 V/G_(n)값을 고려하였으며, 전력소비 차이가 V/G_(n)대비 낮은 비율을 나타내므로 0.
결정 방향으로 대류 양상이 크게 이루어진다는 것은 산소 확산의 방향성이 결정방향으로 더 유도됨을 판단할 수 있으며, (a)에서(e)로 갈수록 크게 분리된 두개의 대류양상이 하나의 유동체로 결합 되어가는 모습을 확인할 수 있다. 산소 확산의 방향성을 보았을 때, 산소의 확산 방향이 점차 결정부분이 아닌 유체의 표면 방향으로(Melt free interface)흘러가는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 유체의 대류양상이 Melt charge level의 조정으로 점차 흐름의 변함을 보였고, 결정내부로 유입되는 산소 농도에 영향을 미친 다는 것을 예측하며 시뮬레이션 결과로부터 비교 분석하였다.
또한, Rotation speed의 변수가 주어질 때 마다 공정 내부에 필요한 에너지 출력 값이 달라진다는 것을 결과로부터 확인하였다. 속도가 감소할수록 에너지 소비량이 미미하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 하지만 산소 농도의 절감 대비 에너지 소비량을 대조하였을 때 10/-3이 10/-4보다 에너지 소비량이 높으나 그 차이는 산소 농도의 최소화를 중점으로 두었을 때 0.
일정한 결정 성장을 위한 Rotation간유지 비율을 rpm 2~3의 간격으로 설정하였기에 Seed rotation speed의 감소는 6 rpm까지 제한하였으며, 6/-3의 Rotation값을 최적의 산소 농도 최소화를 위한 수치 값으로 판단하였다. 실험 결과 중 Rotation speed 10/-3보다 약 3%이상 차이가 나는 것을 결과로부터 확인할 수 있었다.
Seed/Crucible Rotation speed는 감소할수록 산소 농도가 감소된 결과를 도출하였으며, 시뮬레이션으로부터 약 2~3% 산소 농도 최소화의 결과를 도출하였고, Pulling rate는 불순물의 농도 변화량은 큰 영향력이 없음을 보였지만, 결정의 품질성을 나타내는 무결정 결함영역의 차이와 이로 인해 개선이 가능하다는 것을 확인하였다. 이를 기반으로 Seed/Crucible rotation, Pulling rate, Melt charge level의 최적화 및 산소 농도의 최소화 기법을 확보로 Si-ingot의 효율성 개선을 위한 도약, 공정 변수제어(Seed(crystal)-Crucible rotation speed, Pulling rate) 및 Melt charge level의 최적화된 설계로부터 약 10%의 산소 농도 감소 및 최소화된 결과를 도출하였다.
Rotation speed가 10/-8에서 10/-3까지는 약 2%이상 산소 농도가 감소함을 보이지만 그 이후 10/-2에서는 다시 산소 농도가 증가함을 보였다. 즉, Crucible rotation speed가 감소할수록 산소농도가 최소화되지만 제한된 속도가 되면 Seed (crystal) Rotation speed와 Pulling rate로부터 영향을 받는다는 것을 알 수 있으며, 적절한 속도가 필요함을 결과로부터 판단 할 수 있었다. 또한, Rotation speed의 변수가 주어질 때 마다 공정 내부에 필요한 에너지 출력 값이 달라진다는 것을 결과로부터 확인하였다.
즉, Rotation speed가 감소할수록 전체적인 산소 농도가 감소됨을 결과로부터 나타낼 수 있었고, 제한된 값에 도달했을 때 다시금 산소 농도가 증가함을 보였다. 선정된 최적의 Rotation speed를 적용하여 최적의 Pulling rate선정과 산소농도 최소화를 위한 실험을 진행하였다.
2는 Heater로부터 열이 가해지면 산소가 Crucible로 내부로 확산되는 것을 나타내고 있다. 즉, 산소의 확산은 방향성을 갖고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 유체의 흐름과 변수 제어 시 결정 내부로 유입되는 산소 농도 변화량 분석을 위해 시뮬레이션을 진행할 수 있다
0022 cm²/ min/k 사이를 유지함을 나타내었기에 생략하였다. 즉, 품질적으로 개선된 결정성장을 이루었으며, Melt charge level의 변화량으로부터 융융된 Si의 대류양상이 변화함을 확인하였기에 불순물의 확산 방향 또한 변화함을 시뮬레이션을 통해 예측할 수 있었다. 산소의 농도 최소화로 Melt charge level 100%의 농도 25.

후속연구

세 변수는 상호간 영향을 주는 것이 맞으나 현재의 Simulation Software 의 수렴 속도 등의 제약으로 세 변수 간 상호 영향을 고려한 전체 최적화(Global optimization)는 수행하기 어려웠으며, 차후 후속 연구 에서 이 부분을 고려하여 수행하기로 하고, 본 연구에서는 실제 공정에 안전하게 적용될 수 있는 제약 조건하에서의 부분 최적(Local optimization)의 결과를 얻어 내었다. 또한, 이를 기반으로 불순물 최소화 및 품질 향상을 동반한 대량생산기술 확보 연구를 진행할 계획이다.
산소는 Vacancy와 같은 결함과 함께 결정의 품질 및최종 제품의 효율성 그리고 Life time을 악화시키는 원인이기에 산소 농도의 약 10% 절감은 매우 획기적인 결과라 할 수 있다. 세 변수는 상호간 영향을 주는 것이 맞으나 현재의 Simulation Software 의 수렴 속도 등의 제약으로 세 변수 간 상호 영향을 고려한 전체 최적화(Global optimization)는 수행하기 어려웠으며, 차후 후속 연구 에서 이 부분을 고려하여 수행하기로 하고, 본 연구에서는 실제 공정에 안전하게 적용될 수 있는 제약 조건하에서의 부분 최적(Local optimization)의 결과를 얻어 내었다. 또한, 이를 기반으로 불순물 최소화 및 품질 향상을 동반한 대량생산기술 확보 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Czochralski 공정의 결정성장의 특성은 어떠한가?	Czochralski 공정의 결정성장은 기하학적 구조가 축 대칭이며, 성장하는 결정의 특성은 등방성이다. 본 연구는 완전 축 대칭으로 가정하여 전개한다.
	단결정 실리콘으로 생산되는 웨이퍼의 결함은 어떠한 것들이 있는가?	고순도의 단결정 실리콘의 결정성장을 이루기 위해 연구가 현저히 진행되고 있으며 결함(Vacancy, Interstitial, atc), 불순물 (Oxygen, Carbon, Nitrogen, atc)로부터 고품질 초고순도 단결정 실리콘을 필요로 한다[2-3]. 단결정 실리콘으로 생산되는 웨이퍼는 결정성장 진행 도중 결정과 융용 된 실리콘 사이(Melt-Crystal interface)영역에 존재하는 무결정결함영역(V/G(Ratio of growth rate to vertical T gradient))의 표면결정결함(COP), 전위 결함(dislocation), 산화유도적층결함(OISF-Ring)등 결함이 거의 존재하지 않는 영역을 중점으로 품질의 방항성이 좌우된다[4-6]. Cz 공정은 초고온을 유지하면서 결정을 성장시키기에 다소 공정 진행 도중 문제점 파악 및 개선이 어렵다.
	잉곳은 어떻게 만들어지는가?	결정질 실리콘에서 단결정 실리콘(Si) 공정의 대부분은 초크랄스키(Czochralski) 공정에 의해 성장된다. 이 공정은 도가니 회전 (Crucible rotation)과 Pulling 시스템을 통해 실리콘 용융 상태에서 실리콘 시드 결정(Seed(Crystal) rotation)과 접촉하여 단결정 실리 콘을 제조하는데 사용되어지고 있다[1].

참고문헌 (19)

Wang, C., "A Continuous Czochralski Silicon Crystal Growth System," Journal of Crystal Growth, 250(4), 209-214(2003).
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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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