• 대한기계학회논문집
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• 제19권5호
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• pp.1308-1318
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• 1995

The influence of varying rotation speed of both crystal and crucible was numerically investigated for the Czochralski silicon-crystal growth. Based on a simplified model assuming flatness of free surfrae, the Navier-Stokes Boussinesq equations were employed to identify the flow pattern, temperature distribution as well as the shape of the melt/crystal interface. The present results showed that the interface shape was relatively convex with respect to the melt at lower pulling rate and tended to be concave as the pulling rate increased. In particular, the experimentally observed gull-winged shape of the interface was qualitatively in agreement with the predicted shape. The rotation of crystal alone little affected the growth system. When the rotation speed of the crucible was increased, there occurred inversion of the interface shape from convex to concave pattern. At rapid rotation of the crucible, an interesting channel formation was predictied primarily due to the assumption of laminar flow.

• 한국결정성장학회지
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• 제9권2호
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• pp.149-156
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• 1999

초크랄스키 결정성장계의 산소농도에 영향을 주는 유동거동에 대한 정보를 얻기 위해 저온모델을 이용하여 실험적으로 초크랄스키 멜트에 내의 유속을 측정하였다. 실리콘 멜트와 유사한 프란틀(Pr) 수를 갖는 저 융점의 Woods metal을 작동유체로 채택하였다. 전기 전도성을 갖는 유체에서 속도 측정이 가능한 일체형 자석 프로우브(Incorporated magnet probe)를 제작하여 멜트 내부의 여러 지점에서 유속을 3차원저긍로 측정하였다. 측정 결과 관찰된 속도장은 자연대류가 지배적이며 비축대칭적인 유동양상을 나타내었다. 또한 멜트의 두 지점에서 동시에 측정된 온도 데이터로부터 상관계수 및 도가니 회전에 의한 온도 wave의전파를 분석한 결과 상관계수의 크기는 기존의 소형 실리콘 멜트의 연구에서 구한 값보다 작게 나타났으며 이러한 현상은 규모가 큰 멜트의 유동은 난류인 거동이 더 강해지기 때문에 발생하는 것으로 파악되었다.

• 한국결정성장학회지
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• 제7권1호
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• pp.108-116
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• 1997

초크랄스키 대류에서의 동적 천이과정에 대한 실험 및 수치해석 연구가 수행되었다. 결정의 회전에 의한 강제대류와 결정/용융 경계면과 도가니 외벽간의 온도차에 의한 자연대류의 상호작용에 의해서 결정되어지는 유동구조와 천이현상을 해석하기 위해 도가니 내의 온도진동 특성을 시간주기($t_p$)와 진동크기($Delta\theta$)에 의해 검토하였다. 혼합대류인자에 따른 천이현상의 체계적인 연구가 수행되었으며($0.134\le Ra/PrRe^2 \le3.804$), 천이현상에 대한 Pr수의 영향을 조사하였다. 천이 메카니즘을 이해하기 위해, 자오면상의 온도장과 중심축에서의 축방향 속도에 대한 해석이 부가되었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제58권3호
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• pp.369-380
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• 2020

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.

• 대한기계학회논문집B
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• 제20권3호
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• pp.988-1004
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• 1996

The characteristics of flow and oxygen concentration are numerically studied in Czochralski 8" silicon crystal growing process considering radiative heat transfer. The analysis of net radiative heat flux on all relevant surfaces shows growing crystal affects the heater power. Furthermore, the variation of the radiative heat flux along the crystal surface in the growing direction is confirmed and should be a cause of thermal stress and defect of the crystal. The calculated distributions of temperature and, heat flux along the wall boundaries including melt/crystal interface, free surface and crucible wall indicate that the frequently used assumption of the thermal boundary conditions of insulated crucible bottom and constant temperature at crucible side wall is not suitable to meet the real physical boundary conditions. It is necessary, therefore, to calculate radiative heat transfer simultaneously with the melt flow in order to simulate the real CZ crystal growth. If only natural convection is considered, the oxygen concentration on the melt/crystal interface decreases and becomes uniform by the application of a cusp magnetic filed. The heater power needed also increases with increasing the magnetic field. For the case of counter rotation of the crystal and crucible, the magnetic field suppresses azimutal flow produced by the crucible rotation, which results in the higher oxygen concentration near the interface.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제49권4호
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• pp.432-437
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• 2011

최근 산업에서는 Czochralski(Cz) 공정에서 ingot의 생산성을 높이고 동시에 에너지 소비를 적절하게 할 수 있는 최적 설계가 요구되고 있다. 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 현장에서 적용 가능한 설계 인자인 도가니(crucible) 크기, shield 모양, heater의 위치를 변동하면서 가장 최적의 생산성 및 전력 절감 설계를 찾아내는 연구를 수행하였다. 대상 공정은 직경 8 인치 태양전지용 ingot 생산 공정으로 생산성 증대를 위해 도가니 크기를 22인치에서 24인치로 바꾸어 안정적 생산이 가능한 최적설계를 찾았다. 이때 산업에서 외형변화가 허용되지 않아 단열두께만 줄여 최적설계를 찾았다.

• 한국결정성장학회지
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• 제21권5호
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• pp.193-198
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• 2011

최근 사파이어 결정은 LED 응용부품에 사용되고 있고, CZ 성장공정은 고 품질의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 중요한 기술중의 하나이다. 고 품질의 단결정을 성장하기 위해서는 CZ 성장로 내부의 열 및 질량 전달현상의 제어가 필요하다. 본 연구에서는 유도 가열된 CZ 성장로에 대한 사파이어 결정의 성장공정을 FEM을 사용하여 수치적으로 분석하였다. 본 연구의 결과, 성장로의 rpm이 증가함에 따라 고온부는 도가니 표면에서 융액의 내부로 이동하고, 고-액 계면은 평편한 형태로 변화되는 것으로 분석되었다. 또한 성장된 결정의 고-액 계면은 초기에 형성된 결정의 shoulder 형상에 의해서도 영향을 받는 것으로 나타났다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권6호
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• pp.775-780
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• 2016

최근 태양전지 산업에서는 효율과 더불어서 생산성을 높이고 원가를 절감할 수 있는 설계가 요구되고 있다. 생산성의 향상을 위하여 반응기의 크기를 키우면 기존의 8 inch 잉곳에서 12 inch 잉곳으로 생산이 가능하다. 또한 연속공정법을 사용하여 생산성 증대를 극대화 시킬 수 있다. 본 연구에서는 12인치 잉곳이 최적 컨디션의 수율향상을 위한 소비전력 감소와 생산성 향상에 관한 시뮬레이션을 진행하였다. 인출속도 별 계면 형상과 폰-미제스 스트레스, 온도구배, 소비전력을 비교하여 최적의 인출속도를 찾았다. 그 결과, 생산성 향상과 에너지를 절감할 수 있는 최적 공정 파라미터를 도출할 수 있었다. 이러한 연구는 실제 태양전지 산업에서 생산성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대 된다.

• 한국결정성장학회지
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• 제34권1호
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• pp.8-15
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• 2024

다양한 광학 재료에 사용되는 CaF₂ 단결정은 밴드갭(12 eV)이 크고, 넓은 파장영역에서 투과율이 뛰어나며 낮은 굴절률과 분산을 가지는 특징이 있다. 이런 우수한 특성을 바탕으로 최근 리소그래피(Lithography) 공정에서 짧은 파장의 광원에서도 사용가능한 렌즈의 재료로 CaF₂ 단결정이 주목받고 있다. 다만 CaF₂의 경우 157 nm에서 재료 고유의 복굴절이 존재하며, 이로 발생한 수차는 (100)면과 (111)면의 결합을 통해 보상할 수 있기 때문에 면 방향에 따른 특성을 조사하는 것이 필요하다. 이 연구에서는 초크랄스키(Czochralski) 방법으로 성장하여 상용화 된 CaF₂ 단결정 웨이퍼를 이용하여 면 방향에 따른 결정성, 광학적 특성을 분석하였다. 특히 chemical etching을 통해 etch pit의 형태가 면 방향에 따라 다르게 나타나는 것을 확인하였고, 결함 분석을 통해 결정 내 전위의 배열과 결함의 존재가 etch pit 형상에 영향을 주는 것을 확인하였다.