다결정 로드 투입을 통한 Czochralski 연속 성장 방법에서 로드의 크기와 위치에 따른 열/유동 분포에 관한 수치해석 연구

Abstract

Czochralski 법을 이용한 실리콘 단결정은 우수한 기계적, 전기적 성질을 가지는 재료로써 반도체 및 태양광용 기판으로 이용되고 있다. Czochralski 법을 이용한 연속 단결정 성장 연구는 도가니 추가, 액체 실리콘 보충, 폴리 실리콘 조각을 이용하는 방법의 3가지로 알려져 있고 각각의 방법들은 설비 및 비용의 문제, 결정의 순도 저하 등의 한계점을 가지고 있다. 본 연구는 위의 문제들을 해결하기 위한 방법으로 다결정 실리콘 로드 투입을 통한 Czochralski 연속 성장 법에 관한 것이다. 단결정 성장이 이루어지기 위해서는 고상의 결정과 용융 실리콘 부근에서의 온도 구배를 통해 평면 성장이 이루어져야 하고, 결정 품질 유지를 위해서 성장 중 축대칭의 온도 분포를 유지하여야 한다. 이전 연구를 통해 로드가 없는 결정 성장 공정 조건에서 용융상의 높이와 결정, 도가니의 회전 조건을 이용하여 온도 구배 및 축대칭의 온도 분포를 확인하고 동일 높이와 회전 조건에서 로드의 크기 및 위치를 변경해 가며 계산을 하였다. 로드 크기 30mm에 대해서는 축대칭의 온도 분포가 유지되지만 로드의 크기가 커짐에 따라 반경방향 및 회전 방향에서의 속도가 영향을 받게 되어 축대칭의 온도분포를 갖게 되는 와류 형성지점이 변하게 된다. 30mm크기 로드의 투입 위치를 변경시켜 가며 와류 형성지점이 영향을 받는 위치를 추적하였고, 결과를 이용하여 40mm, 50mm 크기의 로드에 대하여 축대칭이 유지되는 위치를 계산하였다. 연구를 통해 로드의 크기 및 위치 변수를 이용하여 연속적으로 단결정을 생산할 때 안정적인 조업을 유지할 수 있는 조건을 제공할 수 있을 것이다. 주요어: Czochralski, 연속 성장, 로드, 전산 모사

As a material with excellent mechanical and electrical properties, single crystalline silicon produced by Czochralski is widely used for the substrates of solar cells and semi-conductors. The research of continuous single crystal growth by Czochralski includes three methods: crucible addition, supplement of melt silicon, pellet of poly-silicon. And for each method, the issues of equipment, cost and crystal purity have been involved. In order to solve these problems, this research of continuous Czochralski growth method by feeding the poly silicon rod has been conducted. To ensure the single crystal growth, through the temperature gradient around the crystal silicon and melt silicon, flat growth should be achieved. Moreover, to guarantee the quality of crystal, the axis-symmetry of the temperature distribution should be maintained. Additional to the conditions of previous research, which has no rods, the temperature gradient and axis-symmetric temperature distribution have been investigated using the conditions of the height of liquid phase, and the conditions of the seed and crucible rotations. With the same melt height and rotation, the simulation has been conducted by changing the dimension and position of the rods. For the 30mm rod, though the axis-symmetric temperature distribution has been maintained, with the increasing of the rod size, the radial directional and azimuthal directional velocity has changed the forming point of the vortex. The position which can be affected by the forming point of vortex has been traced by changing the 30mm rod filling position. Using this result, the position where axis-symmetry can be maintained has been simulated for 40mm and 50mm. Through this research, by changing the variables of rod size and position, the conditions of continuously producing single crystal with the stable operation maintained have been provided. Keyword: Czochralski, Continuous growth, poly-silicon rod, CFD.