(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドるつぼ内に流入されたシリコン原料が溶融されるチャンバと、
前記チャンバの下部に垂直方向に移動可能に設けられ、前記シリコンの融液を凝固させてシリコンインゴットを引き出す１次引き出し装置と、
前記１次引き出し装置を水平方向に移動させる移動装置と、
前記チャンバの下部に垂直方向に移動可能に設けられ、前記１次引き出し装置の周りに前記１次引き出し装置と同一の高さに設置され、前記１次引き出し装置が側方に移動されることによって形成される空きスペースに前記シリコンインゴットを引き出す２次引き出し装置と、を含むことを特徴とするシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項２】
前記１次引き出し装置は、
前記チャンバに対して垂直方向に移動可能な第１シャフトと、
前記第１シャフトが移動可能に締結される第１ねじと、
前記第１シャフトの移動をガイドするためのシャフトガイドと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項３】
前記第１シャフトの上端には、前記シリコンインゴットの下端を支持するためのダミーブロックが脱着可能に結合されることを特徴とする請求項２に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項４】
前記第１シャフトは、前記第１ねじ及び前記シャフトガイドに移動可能に設けられたシャフトホルダーに固定されることを特徴とする請求項３に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項５】
前記２次引き出し装置は、
前記チャンバの下部に垂直方向に設けられた第２シャフトと、
前記第２シャフトにより昇降がガイドされ、ダミーブロックを支持するための支持プレートと、
前記支持プレートが昇降するように締結され、前記支持プレートが前記第２シャフトに沿って昇降するようにする第２ねじと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項６】
前記移動装置は、
前記１次引き出し装置を支持する移動プレートと、
前記移動プレートが水平方向に移動可能になるように設けられる移動ガイドと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項７】
前記第１シャフトは、前記チャンバに位置する状態で冷却水により通水されることを特徴とする請求項２に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項８】
前記１次引き出し装置は、低速で、前記２次引き出し装置は、高速でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする請求項１に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項９】
前記１次引き出し装置は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の速度でシリコンインゴットを引き出し、前記２次引き出し装置は、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の速度でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする請求項８に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項１０】
前記１次引き出し装置の上端には、前記２次引き出し装置とのシーリングのための真空ベローズが設けられることを特徴とする請求項２に記載のシリコンインゴットの引き出し装置。
【請求項１１】
シリコン原料をチャンバ内部に位置するコールドるつぼ内に流入させて溶融させる段階と、
前記チャンバで形成されたシリコン融液を、前記チャンバの下部に垂直方向に移動可能に設置された１次引き出し装置で下降させながら凝固させて、シリコンインゴットを１次的に引き出す段階と、
前記１次引き出し装置を水平方向に移動させる段階と、
前記１次引き出し装置が側方に移動されることによって形成される空きスペースに、前記凝固されたシリコンインゴットを、前記チャンバの下部に垂直方向に移動可能に設けられ、前記１次引き出し装置の周りに前記１次引き出し装置と同一の高さに設置された２次引き出し装置で下降させて２次的に引き出す段階と、を含むことを特徴とするシリコンインゴットの引き出し方法。
【請求項１２】
前記シリコンインゴットを１次的に引き出す段階の前に前記１次引き出し装置を冷却水により通水させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のシリコンインゴットの引き出し方法。
【請求項１３】
前記１次引き出し段階は、低速で、前記２次引き出し段階は、高速でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする請求項１１に記載のシリコンインゴットの引き出し方法。
【請求項１４】
前記１次引き出し段階は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の速度で行われ、前記２次引き出し段階は、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の速度で行われることを特徴とする請求項１３に記載のシリコンインゴットの引き出し方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽電池用シリコンインゴットに関し、より詳細には、シリコンインゴットを引き出す装置の高さを減少させるために２段階でインゴットを引き出すためのシリコンインゴットの引き出し装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、太陽電池の基板に使用されるシリコンウエハは、シリコンの一方向凝固インゴットを薄く切断することによって製造されている。ここで、シリコンウエハの品質及び費用は、シリコンインゴットの品質及び費用によって決定される。
【０００３】
したがって、シリコンウエハの品質を高め、費用を低減するためには、高品質の一方向凝固シリコンインゴットを製造する費用を低減する必要があり、この方法として、インゴットの凝固のための鋳型の材質である黒鉛または石英るつぼを使用した、鋳型の損失がない電磁気連続鋳造法が使用され始めた。
【０００４】
従来の電磁気連続鋳造法は、誘導コイル及び該誘導コイルの内部に配置された導電性素材（一般的に無酸素銅を使用する）で製造した、下部が開放型である連続鋳造用コールドるつぼが使用される。前記コールドるつぼは、周方向に少なくとも一部分が縦方向のスリットによって複数のセグメントに分割された構造であり、溶湯の凝固とコールドるつぼの保護とのために内部に冷却水が通過する水冷構造となっている。
【０００５】
このように縦方向に形成されたスリットは、誘導コイルに流れる高周波の電流により発生する磁場をコールドるつぼの内部まで透過させて、溶解原料に誘導電流を発生させ、これによるジュール加熱効果により連続的に供給される投入原料を加熱して溶解させると共に、コールドるつぼの内部側に電磁気力が発生し、溶解原料とコールドるつぼの内側壁面との接触を軽減させる。
【０００６】
また、溶解されたシリコン溶液は、コールドるつぼの下方に凝固させながら流れ落ち、原料供給が続けば、シリコンの一方向凝固インゴットが連続的に製造されることができる。
【０００７】
このような電磁気連続鋳造法は、コールドるつぼとの接触が軽減するので、原料の汚染が抑制され、インゴットの品質が向上すると共に、鋳型が消耗せず、設備維持費用が減少し、生産性が向上する効果がある。
【０００８】
しかし、以上で説明した従来の電磁気連続鋳造法は、次のような問題点がある。
まず、従来の電磁気連続鋳造装置は、大量生産のためにバッチ当たりの生産量を増加させなければならないが、垂直方向に連続鋳造をするので、生産量の増大に伴い設備のサイズが幾何級数的に大きくなる問題点がある。このように設備のサイズが大きくなれば、建物の高さが充分に確保されなければならないなど、設備投資が増大される問題点がある。
【０００９】
次に、従来、インゴットを適正な引き出し速度に設計した長さだけ安定的に引き出し、引き出されたインゴットを装置外部に取り出すためには、引き出し装置の十分なストローク（Ｓｔｒｏｋｅ）の確保が必要である。例えば、１ｍ長さのシリコンインゴットを引き出すためには、インゴット長さの最小２倍である２ｍのストロークが確保されなければならない問題点がある。
【００１０】
さらに容易に説明するために、図１〜図３には、従来技術によりシリコンインゴットが引き出される過程を示す動作状態図が示されている。
【００１１】
これらの図を参照すれば、チャンバ１には、ガス入口２及びガス出口３がそれぞれ備えられている。前記チャンバ１では、コールドるつぼ内に投入されたシリコン原料が溶融される。前記シリコン融液は、チャンバ１の内部で凝固しながらインゴット５に製造される。
【００１２】
前記インゴット５は、ダミーブロック７により下端が支持され、前記ダミーブロック７の下端は、シャフト９と結合される。前記シャフト９は、垂直方向に移動可能に設けられるものであって、下降しながらインゴット５を引き出す。前記シャフト９は、シャフトホルダー１０により支持され、前記シャフト９は、ねじ１１及びシャフトガイド１３に締結されて移動する。
【００１３】
一方、前記シャフトホルダー１０は、垂直方向に長く設けられたシャフトガイド１３に沿って垂直方向に移動し、前記ねじ１１は、その下端が支持プレート１４に支持される。
【００１４】
このような従来技術では、前記シャフトガイド１３の高さが、図示のように、略２Ｌである。これは、前記シャフト９がＬの高さを有するインゴット５を引き出し、外部に排出するためにＬのストロークをさらに必要とするからである。図２を参照すれば、前記インゴット５をシャフト９がＬの高さに下降しても、前記インゴット５は、チャンバ１に位置するので、図３のように、Ｌのストローク分だけさらに下降する場合にのみ、外部に排出することが可能である。
【００１５】
このように引き出し装置のストロークの確保は、結果的に設備のサイズを大きくし、設備投資に多くの費用がかかる問題を発生させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明は、前述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、シリコンインゴットを引き出す設備の高さを減少させることができる構造を有するシリコンインゴットの引き出し装置及び方法を提供することにある。
【００１７】
本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及しない他の技術的課題は、下記の記載から本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によるシリコンインゴット引き出し装置は、コールドるつぼ内に流入されたシリコン原料が溶融されるチャンバと、前記チャンバに垂直方向に移動可能に設けられ、前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴットを引き出す１次引き出し装置と、前記１次引き出し装置を水平方向に移動させる移動装置と、前記チャンバの下部に垂直方向に移動可能に設けられ、前記１次引き出し装置が側方に移動した状態で前記シリコンインゴットを引き出す２次引き出し装置と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
前記１次引き出し装置は、前記チャンバに対して垂直方向に移動可能な第１シャフトと、前記第１シャフトが移動可能に締結される第１ねじと、前記第１シャフトの移動をガイドするためのシャフトガイドと、を含むことを特徴とする。
【００２０】
前記第１シャフトの上端には、前記インゴットの下端を支持するためのダミーブロックが脱着可能に結合されることを特徴とする。
【００２１】
前記第１シャフトは、前記第１ねじ及びシャフトガイドに移動可能に設けられたシャフトホルダーに固定されることを特徴とする。
【００２２】
前記２次引き出し装置は、前記チャンバの下部に垂直方向に設けられた第２シャフトと、前記第２シャフトにより昇降がガイドされ、前記ダミーブロックを支持するための支持プレートと、前記支持プレートが昇降するように締結され、前記支持プレートが前記第２シャフトに沿って昇降するようにする第２ねじと、を含むことを特徴とする。
【００２３】
前記移動装置は、前記１次引き出し装置を支持する移動プレートと、前記移動プレートが水平方向に移動可能となるように設けられる移動ガイドと、を含むことを特徴とする。
【００２４】
前記第１シャフトは、前記チャンバに位置する状態で冷却水により通水されることを特徴とする。
【００２５】
前記１次引き出し装置は、低速で、前記２次引き出し装置は、高速でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする。
【００２６】
前記１次引き出し装置は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の速度でシリコンインゴットを引き出し、前記２次引き出し装置は、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の速度でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする。
【００２７】
前記１次引き出し装置の上端には、前記２次引き出し装置とのシーリングのための真空ベローズが設けられることを特徴とする。
【００２８】
本発明の他の態様によるシリコンインゴットの引き出し方法は、シリコン原料をチャンバ内部に位置するコールドるつぼ内に流入させて溶融させる段階と、前記チャンバで形成されたシリコン融液を１次引き出し装置で下降させながら凝固させて、シリコンインゴットを１次的に引き出す段階と、前記１次引き出し装置を水平方向に移動させる段階と、前記凝固されたシリコンインゴットを２次引き出し装置で下降させて２次的に引き出す段階と、を含むことを特徴とする。
【００２９】
前記シリコンインゴットを１次的に引き出す段階の前に、前記１次引き出し装置を冷却水により通水させる段階をさらに含むことを特徴とする。
【００３０】
前記１次引き出し段階は、低速で、前記２次引き出し段階は、高速でシリコンインゴットを引き出すことを特徴とする。
【００３１】
前記１次引き出し段階は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の速度で行われ、前記２次引き出し装置は、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の速度で行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明では、シリコンインゴットの引き出し装置の高さが従来に比べて約半分に減少する。これは、シリコンインゴットを引き出す２つの装置で構成し、２段階でインゴットを引き出すようにしたからである。このように引き出し装置の高さが減少することによって、設備にかかる製造費用が節減されることができ、引き出し装置が設けられる空間をも確保することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術によってシリコンインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【図２】従来技術によってシリコンインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【図３】従来技術によってシリコンインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【図４】本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置の正面図である。
【図５】本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置の側面図である。
【図６】本発明の実施例を構成するシャフトとダミーブロックとが結合されたことを示す構成図である。
【図７】本発明の実施例を構成するシャフトとダミーブロックとが分離したことを示す構成図である。
【図８】本発明によるシリコンインゴット引き出し装置によりインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【図９】本発明によるシリコンインゴット引き出し装置によりインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【図１０】本発明によるシリコンインゴット引き出し装置によりインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置及び方法の好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
図４は、本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置の正面図であり、図５は、本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置の側面図であり、図６及び図７は、本発明の実施例を構成するシャフトとダミーブロックとの結合関係を示す構成図である。
【００３６】
これらの図に示されたように、本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置は、コールドるつぼ内に投入されたシリコン原料が溶融されるチャンバ２０と、前記チャンバ２０に垂直方向に移動可能に設けられ、前記シリコン融液を凝固させてシリコンインゴット２４を引き出す１次引き出し装置と、前記１次引き出し装置を側方に移動させる移動装置３８と、前記チャンバ２０の下部に垂直方向に移動可能に設けられ、前記１次引き出し装置が側方に移動した状態で前記シリコンインゴット２４を引き出す２次引き出し装置と、を含む。
【００３７】
前記チャンバ２０の内部空間では、コールドるつぼ内にシリコン原料が投入される。前記チャンバ２０には、上端及び下端の一側にそれぞれガス入口２１及びガス出口２２が設けられる。前記ガス入口２１及びガス出口２２は、シリコンインゴット２４の製造のためのガスが流入されて排出される通路である。
【００３８】
また、前記インゴット２４の下端は、ダミーブロック２６により支持される。前記ダミーブロック２６は、一般的に黒鉛系グラファイトよりなる。前記ダミーブロック２６には、第１シャフト３０の結合溝３０’に対応する結合突起２６’が設けられた結合プレート２７が設けられる。前記結合突起２６’は、前記結合溝３０’に挿入され、前記ダミーブロック２６と第１シャフト３０とが互いに結合されるようにする。すなわち前記ダミーブロック２６及び第１シャフト３０は、結合プレート２７に設けられた結合突起２６’及び結合溝３０’により互いに脱着可能に結合される。
【００３９】
前記ダミーブロック２６と第１シャフト３０との間の空間には、真空ベローズ２８が設けられる。前記真空ベローズ２８は、２次引き出し装置とのシーリングのために設けられるものであって、１次引き出しが終わった後、前記１次引き出し装置とともに移動する。また、前記２次引き出し装置とのシーリングのために、真空ベローズではなく、他のシーリング手段が設けられてもよい。
【００４０】
一方、本発明の１次引き出し装置は、前記チャンバ２０に対して垂直方向に移動可能な第１シャフト３０と、前記第１シャフト３０が移動可能に締結される第１ねじ３２と、前記第１シャフト３０の移動をガイドするためのシャフトガイド３４と、を含む。
【００４１】
前記１次引き出し装置は、垂直方向に長く設けられるものであって、図８に示されたように、Ｌの高さを有する。これは、従来、シャフトガイド１３の高さが２Ｌであるのに比べて半分が減少したものである。本発明では、このように高さが著しく減少した設備を用いて全体的な設備製造コストが節減される効果を有する。
【００４２】
ここで、前記第１シャフト３０は、チャンバ２０内の高温領域まで上昇するので、水冷構造を適用して冷却水を通水させることが必要である。
【００４３】
前記シャフトガイド３４には、前記第１シャフト３０をシャフトガイド３４に対して支持するためのシャフトホルダー３１が設けられる。前記シャフトホルダー３１は、前記シャフトガイド３４に沿って移動可能に設けられる。前記シャフトガイド３４としては、一般的にＬＭガイドが使用される。
【００４４】
一方、前記１次引き出し装置の下端には、移動プレート３６が設けられる。前記移動プレート３６は、前記第１ねじ３２及びシャフトガイド３４を支持する役目をする。そして、前記移動プレート３６は、移動ガイド３８に移動可能に設けられる。前記移動ガイド３８は、図５に示されたように、水平方向に長く設けられるものであって、１次引き出しを終えた１次引き出し装置が水平方向に移動することができるようにする。
【００４５】
次に、本発明の２次引き出し装置は、前記チャンバ２０の下部に垂直方向に設けられた第２シャフト４０と、前記第２シャフト４０により昇降がガイドされ、前記ダミーブロック２６を支持するための支持プレート４４と、前記支持プレート４４が昇降するように締結され、前記支持プレート４４が前記第２シャフト４０に沿って昇降するようにする第２ねじ４２と、を含む。
【００４６】
前記第２シャフト４０は、前記第１シャフト３０の外郭に位置するように設けられる。また、前記支持プレート４４は、前記２次引き出し装置の上端に位置し、前記ダミーブロック２６を支持する役目をする。前記支持プレート４４は、インゴット２４の２次引き出し時にダミーブロック２６を支持しながら下降する。
【００４７】
本実施例において前記１次引き出し装置は、低速で引き出し作業が行われ、前記２次引き出し装置は、高速で引き出し作業が行われる。好ましくは、前記１次引き出し装置は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の速度でインゴット２４を引き出し、前記２次引き出し装置は、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の速度でインゴット２４を引き出す。言い換えれば、前記第１シャフト３０の昇降速度は、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分であり、第２シャフト４０の昇降速度は１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分である。
【００４８】
このように１次引き出しと２次引き出しとの速度を異なるようにしたのは、次のような理由である。本実施例において、前記２次引き出し装置は、１次引き出し装置で引き出しが１次的に終わった後、２次的に引き出す装置であるが、実質的にインゴット２４を凝固して製造する段階は、１次引き出しで行われ、２次引き出しは、凝固されたインゴット２４を外部に排出させる段階である。したがって、１次引き出し時には、インゴット２４を凝固させなければならないので、工程条件に合わせて低速で第１シャフト３０が下降するようにし、２次引き出し時には、既に凝固されたインゴット２４を引き出すので、高速で下降させ、さらに工程速度を速くすることができる。
【００４９】
以下では、前述したような構成を有する本発明によるシリコンインゴットの引き出し装置によりシリコンインゴットを引き出す過程を詳細に説明する。
【００５０】
図８〜図１０は、本発明によるシリコンインゴット引き出し装置によりインゴットが引き出される過程を示す動作状態図である。
【００５１】
まず、図８を参照すれば、第１シャフト３０は、１次引き出しの前にチャンバ２０の内部の高温領域まで上昇する。この際、前記第１シャフト３０が高温により変形されることを防止するために第１シャフト３０に冷却水を通水させる。
【００５２】
次に、前記第１シャフト３０は、前記第１ねじ３２に沿って下降する。前記第１シャフト３０は、好ましくは、０．５ｍｍ／分〜１０．０ｍｍ／分の下降速度で移動する。この際、前記シャフトホルダー３１は、前記シャフトガイド３４に沿って第１シャフト３０が下降することができるようにし、前記第１シャフト３０の下降が完了すれば、シリコンインゴット２４が凝固しながら、１次引き出しが終わる。
【００５３】
前記インゴット２４の１次引き出しが終わった後、前記１次引き出し装置を支持する移動プレート３６は、図９に示されたように、移動ガイド３８に沿って側面に向かって水平方向に移動する。前記１次引き出し装置がこのように移動すれば、前記１次引き出し装置が移動前にあった部分に所定の空間が形成され、真空ベローズ２８が除去される。
【００５４】
したがって、２次引き出し装置は、この空間でインゴット２４を引き出す。すなわち図１０を参照すれば、前記支持プレート４４は、回転する第２ねじ４２を通じて第２シャフト４０に沿って下降しながらインゴット２４を外部に排出させる。前記第２シャフト４０は、好ましくは、１００ｍｍ／分〜５００ｍｍ／分の下降速度で移動する。この際、前記インゴット２４は、支持プレート４４にダミーブロック２６を介して支持された状態で下降しながら外部に排出されることができる状態になる。このようになれば、インゴット２４の２次引き出しが完了する。
【００５５】
本発明の権利範囲は、上記で説明した実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載したものにより定義され、本発明の技術分野における通常の知識を有する者が特許請求の範囲に記載した権利範囲内で様々な変形が可能であることは自明である。
【符号の説明】
【００５６】
２０  チャンバ、２４  シリコンインゴット、２６  ダミーブロック、２８  真空ベローズ、３０  第１シャフト、３１  シャフトホルダー、３２  第１ねじ、３４  シャフトガイド、３６  移動プレート、３８  移動装置，移動ガイド、４０  第２シャフト、４２  第２ねじ、４４  支持プレート
【図１】
0005453549.tif 000002
【図２】
0005453549.tif 000003
【図３】
0005453549.tif 000004
【図４】
0005453549.tif 000005
【図５】
0005453549.tif 000006
【図６】
0005453549.tif 000007
【図７】
0005453549.tif 000008
【図８】
0005453549.tif 000009
【図９】
0005453549.tif 000010
【図１０】
0005453549.tif 000011