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저원가 폴리실리콘, 웨이퍼
기술 및 시장 전망
(2009~2013)
Apr. 2010
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저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
저원가 폴리실리콘, 웨이퍼
기술 및 시장 전망
(2009~2013)
Apr. 2010
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저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
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1. Introduction to Polysilicon Technology ....................................................................................... 7
1.1. Polysilicon Technology ....................................................................................................................................... 8
1.1.1. Synthesis by Chemical Vapor Reactions ................................................................................................ 9
1.1.2. Synthesis by Physical Solid Reactions ................................................................................................. 22
1.2. Thermodynamic Properties of silicon ............................................................................................................ 23
1.2.1. Thermal Properties : Heat Capacity, Thermal Expansion, Melting Temp.etc. ..................................... 23
1.2.2. Properties of Silicon Melt : Density, Surface Tension, Viscosity ......................................................... 29
1.2.3. Defect Properties : Impurity defects, Structural Defects ...................................................................... 36
1.2.4. Structural and Electrical Properties ...................................................................................................... 44
1.3. Characteristics of Silicon Impurities (Purity) ............................................................................................... 47
1.3.1. Equilibrium Distribution Characteristics ............................................................................................. 47
1.3.2. Characterisitics of Metal and Nonmetal Impurities ............................................................................. 52
1.3.3. Characterizations of Impurity Concentrations (Purity) ........................................................................ 56
2. Low-cost Polysilicon Technologies using Metallurgical Refining ........................................... 69
2.1. Component Technologies for Metallurgical Refining ................................................................................... 69
2.1.1. Acid Leaching Technology .................................................................................................................. 69
2.1.2. Melting Technology ............................................................................................................................. 72
2.1.3. Vaccume(Low pressure) Refining Technology .................................................................................... 97
2.1.4. Oxidation Refining Technology ......................................................................................................... 102
2.1.5. Directional Solidification Technology ............................................................................................... 109
2.2. Various Processes using Metallurgical Refining .......................................................................................... 120
2.2.1. Elkem Process .................................................................................................................................... 120
2.2.2. SOLSIC Process ................................................................................................................................ 123
2.2.3. NEDO Process ................................................................................................................................... 126
2.2.4. Dow-corning Process ......................................................................................................................... 130
2.2.5. Solar Value AG Process ..................................................................................................................... 133
2.2.6. Becansour Silicon .............................................................................................................................. 135
2.2.7. Innovation Solar ................................................................................................................................. 137
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2.3. Pilysilicon Producers using Metallurgical Refining Process ...................................................................... 139
2.3.1. Beconcour(Timminco) ....................................................................................................................... 139
2.3.2. Elkem (Norway) ................................................................................................................................ 141
2.3.3. Innovation Silicon .............................................................................................................................. 143
2.3.4. JFE Steel (Kawasaki Steel) ................................................................................................................ 145
2.3.5. SolarValue .......................................................................................................................................... 147
2.3.6. Zhejiang ProPower ............................................................................................................................ 149
2.3.7. Globe Specialty Metals ...................................................................................................................... 151
2.3.8. RSI Silicon ......................................................................................................................................... 153
2.3.9. JACO SolarSi ..................................................................................................................................... 155
2.3.10. Scheuten SolarWorld Solizium ........................................................................................................ 157
2.4. Cost Analysis of Polysilicon Manufacturing ................................................................................................ 159
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2.4.1. Cost Analysis of Polysilicon Manufacturing using Siemens Process ................................................ 159
2.4.2. Cost Analysis of Polysilicon Manufacuting using Metallurgical Refining Process ........................... 161
2.4.3. Manufacturing Issues for Polysilicon by Metallurgical Refining ...................................................... 166
3. Low-cost Polysilicon Wafer Technology .................................................................................. 169
3.1. Silicon Wafering Technologies ...................................................................................................................... 169
3.1.1. Ingot Growing and Wafering Technologies ....................................................................................... 169
3.1.2. Thin Wafering Technologies .............................................................................................................. 183
3.1.3. Ribbon Wafer Technology ................................................................................................................. 188
3.2. Defects in Silicon Wafer and Characterizations .......................................................................................... 190
3.2.1. Defects in Silicon Wafer .................................................................................................................... 190
3.2.2. Characterizations of Defects in Silicon Wafer ................................................................................... 193
3.3. Ribbon Growth Technologies ........................................................................................................................ 206
3.3.1. Vertical Growth Method (Type 1) ...................................................................................................... 210
3.3.2. Horizontal Growth Method (Type 2) ................................................................................................. 213
3.4. Various Polysilicon wafer Processes using Ribbon Growth ....................................................................... 217
3.4.1. Dendrite Web Growth ........................................................................................................................ 217
3.4.2. Edge-defined Film-fed Growth .......................................................................................................... 219
3.4.3. String Ribbon Growth ........................................................................................................................ 222
3.4.4. Ribbon Growth on Substrate .............................................................................................................. 224
3.4.5. Silicon Sheet from Powder ................................................................................................................ 228
3.4.6. Crystallization on Dipped Substrate .................................................................................................. 230
3.5. Polysilicon Wafer Producers using Ribbon Growth ................................................................................... 234
3.5.1. Evergreen Solar .................................................................................................................................. 234
3.5.2. Schott Solar ........................................................................................................................................ 237
3.5.3. RGS Development BV ....................................................................................................................... 238
3.6. Cost Analysis of Silicon Wafer ...................................................................................................................... 241
4. Polysilicon, Wafer Market Forecast ........................................................................................ 246
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4.1. Polysilicon Supply Forecast by Grade (2008~2013) .................................................................................... 246
4.2. Solar Grade Polysilicon Supply & Demand Forecast ................................................................................. 247
4.3. Solar Grade Polysilicon Production & Capacity by Company .................................................................. 249
4.4. Solar Grade Polysilicon Price Trend (Contract, Spot) ................................................................................ 251
4.5. Solar Grade Polysilicon Revenue Forecast .................................................................................................. 252
4.6. Solar Grade Polysilicon Production Cost by Technology ........................................................................... 253
4.7. Solar Grade Polysilicon Supply by Region .................................................................................................. 258
4.8. UMG-Silicon Production & Capacity .......................................................................................................... 260
4.9. Worldwide Wafer Demand Forecast ............................................................................................................ 262
4.10. Worldwide Wafer Demand Forecast by Type ............................................................................................ 263
4.11. Wafer Price Forecast by Year ...................................................................................................................... 264
4.12. Wafer Price Forecast by Quarter ............................................................................................................... 265
4.13. Worldwide Wafer Demand Market Forecast by Revenue ........................................................................ 266
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5. Index ........................................................................................................................................... 267
5.1. Tables .............................................................................................................................................................. 267
5.2. Figures ............................................................................................................................................................ 269
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6 Apr’10

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이렇게 제조된 금속급실리콘을 약 300 ℃로 가열하면서 촉매 Cu와 무수
염산(HCl)가스를 주입하면, 실리콘은 다음과 같은 화학반응을 기반으로 가
스화된다.
Si+3HCl ->HSiCl 3 +H 2
적절하게 설계된 반응기를 사용할 경우, 80 ~ 90 %의 높은 수율로 삼염화
실란을 얻을 수 있다. 나머지는 주로 Silicon Tetrachloride (Chemical
Formula SiCl 4 ), Hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ), 그리고 Dichlorosilane
(H 2 SiCl 2 ) 등이 부산물로 형성되며, 반복된 증류공정으로 삼염화실란의 순
도를 향상시켜 보통 12 N이상의 순도를 갖도록 한다.
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Figure 3. 지멘스 석출공법에 사용되는 종형(Bell-Jar)반응기 기본구조
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- 열팽창계수 (Thermal Expansion Coefficient)
열팽창계수란 일정한 압력 아래서 물체의 열팽창의 온도에 대한 비율을 나
타내며, 온도 1 ℃ 상승에 따른 단위 부피당 팽창량을 체적 팽창 계수, 단
위 길이당 팽창량을 선팽창 계수라고 한다. 등방성의 고체에서 체적 팽창
계수는 선팽창 계수의 약 세 배이다. 다음 Table 3은 실리콘의 선형 열팽
창 계수 α (K -1 )를 정리한 것이다.
Table 3.
온도에 따른 실리콘의 선형 열팽창계수
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위의 표를 근거로 하여, 녹는점에서의 열팽창계수를 외삽한 결과 대략 녹는
점 1687 K에서 4.661×10 -6 K -1 의 값을 나타낸다. 온도영역에 따른 실리콘
의 열팽창계수를 수식화 한다면 다음과 같다.
α = 4.8 ×10-13 T 3 (± 0.01×10 -8 ) K -1 : Temp. < 14 K
α = 3.725 ×10-6[1-exp(-5.88×10-3 (T-124))] + 5.548 ×10 -10 T (±2×
10 -10 ) K -1 : Temp. 120 ~ 1500 K
α =(3.684+0.00058T)×10 -6 (± 0.004×10 -6 ) K -1 : Temp. > 1000 K
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1.3. Characteristics of Silicon Impurities (Purity)
1.3.1. Equilibrium Distribution Characteristics
앞 장에서 논의된 바와 같이 태양광급 또는 전자급 폴리실리콘을 제조한다
는 것은 실리콘 내부에 존재하는 불순물을 어떻게 효과적으로 제거하는 것
인가와 같은 맥락이라 할 수 있다. 금속정련공법의 경우, 금속 불순물을 제
거하는 방식은 크게 화학적 방법과 물리적 방법으로 나눌 수 있다. 화학적
방법이라 함은 산(Acid)을 이용하는 것이다. 금속정련에서 보다 일반적으로
사용되는 물리적 방법이라 함은 실리콘 내부에 존재하는 금속 불순물의 평
형분배계수 특성을 이용하는 방향성 응고일 것이다. 초크랄스키 또는 Zone
Melting과 같은 정련방식 역시 이와 같은 평형분배계수 특성을 이용하는
것으로서, 평형분배계수의 열역학적 의미를 정확하게 알고 있는 것은 관련
기술개발에 매우 중요한 배경지식이라 할 수 있겠다.
- 평형분배계수
Figure 22에서 보는 바와 같이 2 원계 평형상태도에서 용질원소의 첨가에
따라 고용체의 융점이 감소 또는 증가하며, 만약 용질의 양이 매우 적다고
가정한다면, 용매의 융점 부근에서는 직선으로 표시 될 수 있다. 만약 C 0
의 용액을 온도 T 1 까지 서서히 냉각하면 액상선 바로 아래에서 응고하기
시작하여 k 0 C 0 의 농도를 가진 결정이 석출한다. 이는 상태도에서 온도수평
선과 고상선의 교차점이 되며 C S 라 표시하고, 온도를 더욱 내려 T 2 까지 냉
각하여 마지막으로 석출되는 고체는 C 0 /k 0 가 되며 온도수평선과 액상선의
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교차점으로 나타낸다. 이와 같이 응고속도가 충분히 느려 용질의 확산에 의
해 고체나 액체 내에서 평형상태에 도달하면서 고상선을 따라 응고하는 것
을 평형응고라 한다. 평형분배계수(Equilibrium Distribution Coefficient)란
이때의 액상과 고상의 농도를 각각 C L , C S 라하고 C S /C L 을 k 0 라 나타낸 것
이다. 평형응고에서는 고상이나 액상내의 확산이 충분히 일어나 액체나 응
고된 고체내의 농도는 같다. g을 일반적으로 응고된 분율이라고 하면 그 평
균 농도는 다음 식과 같이 표현된다.
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47 Apr’10

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1 1
k 0 값이 1 보다 작은 경우에는 액체상 쪽으로의 불순물 농도가 증가하고, 1
보다 큰 경우에는 반대로 고체상의 농도가 증가한다. 그러나 실제로는 고체
내의 확산은 매우 느리기 때문에 평형응고는 현실적으로 불가능하다.
- 정상응고와 유효분배계수
Figure 22. 평형상태에서의 상태도
평형상태가 아닌 보다 현실적인 정상응고에서 고체상 내에 석출이 일어나
는 것은 실제의 응고에서는 고체내의 확산속도가 상당히 느리기 때문이다.
그 정도는 액체상에서의 이동 현상에 따라 달라진다. 또한 고액간의 경계면
내에서 불순물의 이동속도는 고체상 내의 불순물의 확산 속도에 비해 상당
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히 빠르지만, 액체상에서의 속도에 대하여는 느리기 때문에 응고상에서의
확산은 없고, 대신에 액체상에서의 농도는 일정한 것으로 가정할 수 있다.
아래 그림에서 보는 바와 같이 불순물원소의 유속(flux, f n )는
1
이고 또한 확산에 의한 불순물원소의 이동은
1
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저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
2. Low-cost Polysilicon Technologies using
Metallurgical Refining
2.1. Component Technologies for Metallurgical Refining
2.1.1. Acid Leaching Technology
보통 금속급 실리콘은 아크로에서 실리카를 탄소 열환원을 거쳐 용융상태
Table 13.
에서 주조를 통해 잉곳을 얻게 된다. 주조 공정을 거치면서 금속급 실리콘
내에서 존재하는 여러 종류의 불순물들은 Si 2 Ca, Si 2 Al 2 Ca, Si 8 Al 6 Fe 4 Ca,
Si 2 FeTi 및 Si 2 Fe 4 등의 여러 가지 화합물을 만들게 되고, 응고되면서 석출
된다. 실리콘 내에서 불순물들은 Table 13에서와 같이 작은 평형 분배 계
수, 낮은 용해도를 가진다.
MG-Si내에 존재하는 불순물 들과 각각의 평형분배계수
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포스포러스, 보론, 탄소 등의 원소를 제외하고 대부분의 불순물들은 매우
작은 평형분배계수를 가진다. 이는 고액공존구간에서 고상의 실리콘보다 액
상의 실리콘으로 불순물의 농도가 집중됨을 의미한다. 따라서, 응고 완료
시 불순물들은 마지막으로 응고되는 부분에 집중되는 경향을 보이게 된다.
일반적인 불순물들은 용융점 근처에서 최대의 용해도를 보이고 온도가 감
소할수록 용해도가 급격히 감소하게 된다. 따라서, 응고과정 중 실리콘 내
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69 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 76. 양산용 태양전지용 폴리실리콘 일방향응고장치
2.2. Various Processes using Metallurgical Refining
2.2.1. Elkem Process
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세계 최대의 금속급 실리콘 제조사로서 고온건식금속정련과 산 용액을 사
용하는 화학적 처리에 기초를 둔 금속정련공법을 사용하고 있다. 125 x
125 mm 면적의 양산용 태양전지에서 변환 효율 15 ~ 16 %을 보이고 있어
현재 상용화된 금속정련공법에 의해 제조된 폴리실리콘 중 가장 높은 효율
을 보이고 있다. Figure 77은 Elkem에서 UMG-Si 개발에 적용하고 있는
공정 개략도를 나타낸 것이다. Elkem 공정은 실리카 원료를 이용한 금속급
실리콘의 환원 공정으로부터 시작이 된다. 산세 공정에서 정제되기 힘든 보
론등의 비금속 불순물들은 슬래그 공정을 통하여 제거하고 나머지 금속 불
순물들은 산세 공정과 일방향응고정련공정에서 제거한다. 실리콘 1 kg을
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120 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
제조하는데 대략 10 ~ 15 kW의 전력을 소비하는 것으로 알려져 있어, 기
존 지멘스방식의 150 kW/kg의 1/10 정도의 전기 에너지의 반이 필요한
것으로 알려져 있다.
Figure 77. Elkem의 공정 개략도
대부분의 공정이 금속정련에서 사용되는 기본공정을 이용하기 때문에, 아직
까지 추가적인 공정효율향상과 스케일업에 의한 단가절감의 여지가 충분하
다고 ELKEM사는 말하고 있다. 다음 Figure 78은 ELKEM사의 폴리실리콘
을 이용하여 제조된 잉곳의 대표불순물 농도를 나타낸 것이다. 이 잉곳은
100 % ELKEM의 폴리실리콘을 이용하여 제조하였으며, 그림에서 보이는
직선으로 표현되었다. 점선의 경우, 기존 기상반응법을 이용한 폴리실리콘
으로 제조된 잉곳 내부에 존재하는 불순물 농도 분포이다. 그 값에서 기존
기상반응에 의한 폴리실리콘과 그 농도에 있어, 큰 차이를 보이고 있지 않
다.
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Figure 78. ELKEM사의 폴리실리콘(직선) 과 상용 폴리실리콘(점선)을 이용한 잉곳내부의 불순물
농도분포
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121 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Table 23.
지멘스 공법과 금속정련공법의 제조단가 비교 [Euro/kg]
Item 지멘스공법 금속정련공법
금속급 실리콘
기타 원료
설비비
전력비용
인력
기타 (10%)
Total production
cost
표에서 보이는 바와 같이, 지멘스공법의 경우 TCS제조관련 비용이 추가
소요되는 것을 알 수 있다. 주의해야 할 것은 TCS제조를 위한 설비부분은
포함되지 않은 것이다. 그럼에도 불구하고, 설비비는 금속정련공법에 비해
지멘스공법이 3 배 이상이 필요하다. 이와 함께, 전력소모비용에 있어서,
약 2 배의 차이를 보인다. 이러한 비교결과를 종합해 본다면, 지멘스공법으
로 이용한 폴리실리콘의 제조단가는 대략 Euro/kg였으며, 금속
정련공법 경우에는 Euro/kg의 제조단가를 나타내었다. 결국, 금속정련
공법은 제조단가구성비에서는 지멘스 공법과 유사한 비율을 나타내었으나,
그 구성단가는 설비비와 전력비용 면에서 금속정련공법이 우세하다는 것을
알 수 있었다. 추가하여, 금속정련공법의 경우, 소규모의 단위생산이 가능
하다는 장점이 있다. 앞에서 언급하였듯이, 지멘스공법의 경우, 위의 생산
단가는 최소 1,000 MT/년 이상의 생산설비를 구축했다는 가정하에서 계산
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된 것을 잊어서는 안될 것이다.
지멘스공법, 유동층반응공법, 금속정련공법의 폴리실리콘 제조
단가 및 초기 투자비 등을 정리한 것이다.
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162 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
3.1.2. Thin Wafering Technologies
앞에서도 언급하였듯이, 현재 실리콘 웨이퍼 기술의 가장 중요한 개발 동향
은 잉곳 절단시 발생하는 절단 손실(Kerf-loss) 최소화와 웨이퍼의 박형화
다. 물론 절단 후 생성되는 실리콘의 재활용 기술도 활발히 연구 개발되고
있지만, 이러한 개발 방향은 근본적인 해결 방안으로는 적합하지 않다. 박
형 웨이퍼의 두께 기준은 표준화된 바 없지만, 일반적으로 200 μm이하를
의미하며, 최근에는 100 μm이하의 두께를 갖는 초박형화 기술이 개발 중이
다. 절단 손실의 최소화와 박형화 기술은 구분되어 개발되기 보다는 두 가
지 목표를 동시에 충족하는 방향으로 개발되고 있다. 본 장에서는 무절단손
실(Kerf-free)기술인 DFT(Direct Film Transfer)와 SLIM (Stress-induced
Lift-off Method)기술에 대하여 알아보도록 하겠다.
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Figure 131. DFT 기술로 제조된 박형 실리콘 웨이퍼
DFT 기술은 기존의 Wire Sawing 기술과 달리 절단 손실을 근본적으로 제
거하는 획기적인 웨이퍼링 기술이다. 따라서, 기존 웨이퍼링 기술에 비해
실리콘 생산량을 2 배 이상 향상시킬 수 있으며, 웨이퍼의 두께를 100 μm
이하로 박형화가 가능한 기술이다. 이와 함께, 실리콘 슬러리와 같은 부산
물도 없어 환경 친화적인 면에서도 우수한 기술이라 할 수 있겠다.
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183 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 132. DFT 웨이퍼링 기술의 개념도
DFT공정은 크게 두 단계로 나뉠 수 있다. Figure 132은 DFT 기술의 개념
도를 나타낸 것이다. 첫번째는 실리콘 잉곳 또는 블록의 표면에 Hydrogen
와 같은 이온 빔을 주사하는 Implantation Stage이다. 주사된 높은 에너지
의 이온들은 실리콘 표면을 통해 일정한 깊이 안에 위치하게 된다. 이 때,
이 이온들은 실리콘의 결정성을 파괴하여 작은 파단면(Fracture Plane)을
내부에 형성시킨다. 이 국부 파단면을 Cleaving Plane이라 부른다. 단결정
실리콘에서, 대략 2 ~ 4 MV의 Proton(Hydrogen) Energy를 갖는 이온 빔
을 주사했을 때 50 ~ 150 μm의 침투 깊이를 갖게 된다.
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Figure 133. Cleaving Stage 공정의 개념도
이와 같은 Cleaving Plane이 형성되면 두 번째 단계인 Cleaving Stage를
수행한다. 이 Stage는 다시 Initiation과 Propagation 공정으로 나뉘어 진
다. Figure 133는 Cleaving Stage를 설명하는 개념도이다. 펄스 형태의 열
에너지를 블록에 가하면 작은 파단면에 Crack이 형성된다. 이 때 형성되는
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184 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
1에 해당하며, M1에 해당하는 기술이다. 실제 내부결함으로 흑연 도가니로
부터의 탄소오염은 매우 높으나 상대적으로 산소오염은 적은 것으로 알려
져 있다. 보다 구제척인 기술은 뒤에서 다시 한번 언급하도록 하겠다.
Figure 150. 열응력 감소를 위한 후열처리 방식 (EFG 방식)
또 하나의 상용화된 수직성장방식인 SR(String Ribbon)법은 미국의
NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 개발된 후
Evergreen Solar사에 의해 상용화되었다. 이 기술은 고온에서 견딜 수 있
는 두 가닥의 줄을 8 cm간격으로 실리콘 용탕이 담겨 있는 도가니를 통과
하게 한다. 이 때 대략 7 mm 높이를 갖는 메니스커스가 용탕표면에 형성
된다. (Figure 151참조) 따라서, 이 기술은 Type 1이며, M2에 해당하는 기
술이다.
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Figure 151. String Ribbon기술의 기본 개념도
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211 Apr’10

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수직성장을 하면서, 리본내부에 형성된 온도차는 열응력을 발생시켜 결함의
원인이 된다. 따라서 성장된 리본을 상부에서 다시 한 번 가열하여 형성된
온도차를 감소시켜 열응력을 해소하도록 한다.
Figure 154은 Type 1인 수직성장방식의 리본형 태양전지의 셀 효율을 나
타낸 그림이다. 비록 연구실 수준에서 정리한 효율이지만, 최대 18 %의 효
율을 나타내고 있다.
Figure 154. 기술별 리본 태양전지의 효율 추이 (Lab Scale)
현재까지 개발된 리본형 웨이퍼 제조기술 중 가장 높은 효율을 발표하였으
SAMPLE
나, 양산화에는 실패하였다. 이는 결정화 단계에서 0.1 ℃ 정도의 온도 제
어가 현실적으로 매우 어렵기 때문인 것으로 추측된다.
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218 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
3.4.2. Edge-defined Film-fed Growth
수직성장방식(Type 1)의 기술로, SCHOTT Solar 에서 판매되고 있다. 실리
콘은 용융점 근처에서의 표면장력 값이 720 mN/m 정도로, 물(20 ℃)의 경
우 72.75 mN/m, 수은(15 ℃)의 경우 487 mN/m인데 비해 매우 큰 값을
가진다. 이러한 높은 표면장력을 이용한 방법으로 용융된 실리콘이 흑연 다
이에 접촉하게 되면 모세관 현상으로 다이의 얇은 공간을 채우게 되고 이
렇게 채워진 실리콘을 종자결정을 이용해서 위쪽방향으로 응고시키면서 끌
어올려 연속적으로 리본 형태의 웨이퍼를 제조하는 것이다. (Figure 155 참
조)
Figure 155. Edge-defined Film-fed Growth (EFG) 방식의 개략도
SAMPLE
보통 흑연 도가니 안에서 1 kg 정도의 실리콘을 용융하고 응고가 진행되는
동안 실리콘을 연속적으로 공급해가면서 200 kg까지 성장시킬 수 있다. 실
리콘이 흑연 도가니와 다이에 직접적으로 접촉하게 되므로 탄소의 오염을
피할 수 없지만 상대적으로 산소의 오염은 적은 편이다.
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219 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
3.5. Polysilicon Wafer Producers using Ribbon Growth
아직까지는 리본형 웨이퍼 기술은 기술개발단계로 보는 것이 적합하다고
본다. 세계적으로 유일하게 한 회사만이 양산화에 성공하였으며, 그 외의
회사들은 모두 기술개발단계에서 진행 중이거나, 중단한 상태다. 리본형 웨
이퍼 분야에서는 태양광분야의 선진국인 독일이나 네덜란드가 아닌 미국만
이 유일하게 양산화에 성공하였다. 그 뒤를 독일과 네덜란드가 양산화를 위
해 박차를 가하고 있는 상태이며, 일본의 Sharp사 역시 새로운 기술을 가
지고 양산화를 준비하는 것으로 알려져 있다. 하지만 아직까지 양산화와 관
련된 업체들의 현황자료는 매우 제한되어 있어, 이를 기술하는 것은 매우
제한 적일 수 밖에 없다. 본 장에서는 유일하게 양산화에 성공한 미국의
Evergreen Solar사와 독일의 Wacker-Schott Solar사, 그리고 네덜란드의
Joint Venture사인 RGS Development사에 대하여 그 현황을 정리해 보겠
다. 특히, 2008년도 하반기부터 시작된 태양전지 소재의 가격하락은 이러한
차세대 기술을 산업화하려는 업체로는 악재로 작용할 수 밖에 없다.
3.5.1. Evergreen Solar
1994년 설립된 이후, 저원가 리본형 웨이퍼 기술인 String Ribbon기술을
바탕으로 지속적인 기술개발을 수행하여 최초로 양산화에 성공한 회사이다.
이 회사는 독일의 태양전지 제조사인 Q-cell과 Joint Venture형태의 합작
회사를 설립하여 이 기술의 빠른 생산규모의 확대와 그 효용성을 입증하려
SAMPLE
는 전략을 사용하였다. 합작회사인 EverQ는 2005년부터 독일 Thalheim에
30 MW급 생산공장을 설립한 후 웨이퍼, 전지, 그리고 패널을 생산하기 시
작하였다. 2006년에는 노르웨이의 Renewable Energy Corporation (REC)
사가 이 Joint Venture에 합류하여 1/3의 지분을 가졌다. 이를 위해 REC사
는 2010년까지 300 MW까지 성장하는데 필요한 실리콘을 공급하는 계약
을 했다.
현재, 미국 Massasutsetue의 Marlboro에 위치한 생산라인에서는 15 MW
급의 SR 웨이퍼를 이용한 전지와 패널이 생산되고 있으며, 이 곳은
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234 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Evergreen 독자생산라인으로, 대부분의 R&D가 이루어지고 있는 곳으로
알려져 있다. EverQ사의 생산규모 확대와 별개로, Evergreen사의 독자생산
라인도 지속적으로 그 규모를 키우고 있으며 Devens에 75 MW급의 라인
구축이 진행되었다. 관계자의 발표에 의하면, Evergreen사의 독자생산라인
을 2012년까지 최대 500 MW까지 확보할 것이라 하였다. 저원가 String
Ribbon 제조를 위하여 Marlboro에서는 지속적인 기술개발이 진행되고 있
으며, 이를 통해 웨이퍼 제조를 위한 실리콘 소모량을 5 g/W까지 감소시켰
다. 이는 기존 폴리실리콘 웨이퍼 제조를 위한 소모량의 절반도 안 되는 양
이다. 2010년 안에 3 g/W이하로 감소시키기 위한 기술 개발이 현재 진행
중이다. 또한, Figure 176에서 보이는 바와 같이 하나의 제조장치에서 동시
에 네 개의 String Ribbon을 성장시킬 수 있는 기술을 확보하여 그 생산성
을 극대화 하고 있다.
SAMPLE
Figure 176. 한 번에 네 개의 String Ribbon을 동시에 성장시킬 수 있는 제조 장치
만약, 2010년까지 실리콘 소모량을 3 g/W로 저감시킨다면, 생산단가의 30%
이상의 이윤확보가 가능하며, Grid Parity를 확보할 수 있는 시점이 될 것
이라고 예상했다. 또한, 한국의 DC Chemical과 15 % 지분에 대한 폴리실
리콘 장기공급계약을 체결하였다. 이 외에도 Wacker사와도 10년의 폴리실
리콘 장기공급계약을 체결하였다.
또한, 2009년도 발표에 의하면 중국의 Jiawei Solarchina사와 Wuhan
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235 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Table 32.
실리콘 태양전지의 제조구성단가 계산을 위한 주요 변수들(R1)
변수들에 따라 제조단가 구성비는 변할 수 있으나, 실리콘의 손실은 가장
큰 단가상승요인으로 작용한다는 점은 변화없다. 이러한 손실은 단위발전량
을 위한 실리콘의 소요량으로 표시되기도 한다. 위의 생산변수들로 계산된
제조단가분석결과는 9.1 g/Wp의 실리콘 소모량에 대응된다고 할 수 있다.
마지막으로, 폴리실리콘 웨이퍼의 총 제조 비용은 0.24 euro/Wp로 계산된
다. 폴리실리콘 웨이퍼제조단가 절감을 위해 앞에서 언급했던 DFT(Direct
Film Transfer)와 SLIM (Stress-induced Lift-off Method)기술과 같은 초
박막 웨이퍼링 기술은 이러한 실리콘 소모량을 최대 3 g/Wp까지 감소가능
SAMPLE
한 기술로 알려져 있다. 이 외에도 리본형 웨이퍼링 기술이 이러한 실리콘
소모량을 감소시킬 수 있는 차세대 기술로 인정받고 있다. 리본형 웨이퍼를
이용하여서는 최대 2.2 g/Wp까지 실리콘 소모량을 감소할 수 있는 것으로
알려져 있다.
실리콘 웨이퍼의 저원가 전략은 다양한 시나리오를 바탕으로 진행되고 있
으며, Table 33과 Table 34는 저원가 실리콘 태양전지 기술개발을 위한 대
표적인 두 시나리오를 정리한 것이다.
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243 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
4.2. Solar Grade Polysilicon Supply & Demand Forecast
태양전지용 폴리실리콘은 한때 공급부족현상으로 가격이 천정부지로 상승
한 시기가 있었으나 2008년 하반기부터 시작된 전세계 금융위기로 인한
수요감소와, 다수의 신규 폴리실리콘 생산 업체 참여의 영향으로 2009년부
터 공급과잉으로 전환되었다.
2009년 태양전지용 폴리실리콘의 생산실적은 73.9 천톤으로 수요대비 7.9%
K Metric Ton
250
200
150
100
50
가 과잉 생산되었으며 이로 인해 가격의 하향세가 지속되었다. 2010년에는
주요 Top10업체의 공격적인 투자로 수요 대비 약 16%의 공급과잉이 예상
된다. 2011년이 수요대비 공급과잉현상이 최대가 될 것으로 예상 되며
2013년부터는 서서히 수요공급이 균형을 찾아갈 것으로 보인다.
한편 이 같은 공급 과잉으로 인한 가격 하락은 신규 참여 업체에 원가 절
감 압박을 가져올 것이며 이 과정에서 일부 업체들은 안정적인 시장 진입
에 어려움을 겪을 것으로 보인다. 따라서 현재 각 업체들이 발표한
Capacity 확장계획만큼 공급량이 가파르게 증가세를 보이지는 않을 것으로
예상된다.
Figure 184. Solar Grade Polysilicon Supply & Demand Forecast
100.0%
Polysilicon Demand
7.9%
109.1
-37.2%
73.9
68.0
55.3
40.3
164.0
15.9%
19.4%
129.7 132.2
195.3
188.7
210.0
SAMPLE
Polysilicon Supply
Supply/Demand (%)
161.4
17.3% 10.1%
0.0%
0
2008 2009 2010F 2011F 2012F 2013F
-100.0%
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247 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
4.3. Solar Grade Polysilicon Production & Capacity by
Company
아래 표는 주요 52개 업체의 태양전지용 폴리실리콘의 생산량과 Capacity
를 집계한 표이다. 집계 기준은 아래와 같다.
• 반도체급 폴리실리콘은 제외, 태양전지급 폴리실리콘만을 집계 함
• 2010년 이후 Capacity는 해당년도의 최대 공급능력(Net Capacity)
• 생산량 및 Capacity는 각 업체 발표 수치를 우선 적용
SAMPLE
Table 37. Solar Grade Polysilicon Production & Capacity by Company
Production (MT)
Capacity (MT)
Company Name
2008 2009 2010F 2011F 2012F 2013F
Wacker
Hemlock
OCI
M.Setek
MEMC
GCL Solar
REC
Tokuyama
Beconc our(Timminco)
Mitsubis hi Materials
Luo yang Zhonggui
Joint Solar Silicon
Daqo Group
Nippon Steel Solar Meterial
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249 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
SAMPLE
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250 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 192. Worldwide UMG-Silicon Production & Capacity
60,000
54,900
50,000
44,900
Unit : MT
40,000
30,000
32,300
Table 42.
Company Name
Beconcour(Timminco)
Dow Corning
JFE Steel (Kawasaki Steel)
JACO Solarsi
Globe Specialty Metals (Solsil)
Elkem
20,000
13,600
10,000
2,105 2,942
-
2008 2009 2010F 2011F 2012F 2013F
UMG-Si Capacity by Company
Production
Capacity
2008 2009 2010F 2011F 2012F 2013F
SAMPLE
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261 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
5. Index
5.1. Tables
Table 1. 지멘스법에 있어 삼염화실란과 모노실란의 특징 비교 ..................................................... 14
Table 2. 온도에 따른 실리콘의 비열 및 디바이온도 ......................................................................... 24
Table 3. 온도에 따른 실리콘의 선형 열팽창계수 ............................................................................... 25
Table 4. 실리콘의 녹는점에 대한 발표요약 ......................................................................................... 26
Table 5. 실리콘의 녹는점의 압력의존식을 계산하기 위한 물성 값들 ........................................... 27
Table 6. 온도에 따른 실리콘의 열전도도 ............................................................................................. 28
Table 7. 다양한 금속들의 상온 및 녹는점에서의 밀도 ..................................................................... 30
Table 8. 다양한 금속의 잠열 ................................................................................................................... 31
Table 9. 다양한 공급업체의 폴리실리콘 순도 분석 결과 ................................................................. 37
Table 10. 폴리실리콘내의 불순물 농도 측정 방법들 ........................................................................... 56
Table 11. 벌크 실리콘내에 존재하는 불순물의 검출한계 ................................................................... 63
Table 12. ICP-AES, ICP-MS, GDMS의 특징들 ......................................................................................... 65
Table 13. MG-Si내에 존재하는 불순물 들과 각각의 평형분배계수 .................................................. 69
Table 14. Maxwell 방정식에 사용된 symbols ......................................................................................... 80
Table 15. 열플라즈마와 냉플라즈마의 특성 비교 ................................................................................. 91
Table 16. Timminco 공정을 이용한 정련이전과 이후의 폴리실리콘내에 존재하는 불순물 농
도 136
Table 17. Q-cell을 포함하여 ELKEM이 채결한 공급량 ..................................................................... 142
Table 18. Solsil의 태양전지용 실리콘의 불순물 함유량(ppmw) ....................................................... 151
Table 19. RSI Silicon 자체공법의 폴리실리콘과 타 기술의 폴리실리콘 특성비교 ....................... 153
Table 20. 태양전지용 실리콘(UMG-Si) 개발(사업) 계획 .................................................................... 155
Table 21. Solarsi을 이용하여 태양전지용 cell을 가공할 때의 가격 예상 ...................................... 156
SAMPLE
Table 22. 지멘스 공법을 이용한 폴리실리콘 제조플랜트 구축을 위한 핵심디자인 변수 ......... 160
Table 23. 지멘스 공법과 금속정련공법의 제조단가 비교 [Euro/kg]................................................ 162
Table 24. 폴리실리콘 제조를 위한 다양한 공법의 제조단가 비교 ................................................. 163
Table 25. 25 MW급 폴리실리콘 태양전지 모듈의 제조단가 분석을 위한 기본 가정들 ............. 164
Table 26. UMG-Si과 폴리실리콘을 이용한 태양전지 모듈의 가격비교 ......................................... 167
Table 27. 샘플과 표준 정보 ..................................................................................................................... 194
Table 28. 리본 성장 방식에 따른 비교 ................................................................................................. 215
Table 29. 리본 기술 별 특성 비교 ......................................................................................................... 216
Table 30. EFG 웨이퍼를 이용한 태양전지 셀 효율 ........................................................................... 221
Table 31. SCHOTT EFG 태양전지 모듈 특성 ....................................................................................... 238
Table 32. 실리콘 태양전지의 제조구성단가 계산을 위한 주요 변수들(R1) .................................. 243
Table 33. 실리콘 웨이퍼를 이용한 저원가 실리콘 태양전지를 위한 시나리오 (S1) .................. 244
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267 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Table 34. 리본형 웨이퍼를 이용한 저원가 실리콘 태양전지 로드맵 시나리오 (S2) .................. 244
Table 35. Polysilicon Supply Forecast by Grade (2008~2013) .................................................................. 246
Table 36. Solar Grade Polysilicon Supply & Demand Forecast ................................................................. 248
Table 37. Solar Grade Polysilicon Production & Capacity by Company ................................................... 249
Table 38. Solar Grade Polysilicon Price Trend ($/Kg) ............................................................................... 251
Table 39. Solar Grade Polysilicon Revenue Forecast ................................................................................. 252
Table 40. Solar Grade Polysilicon Production Cost by Technology ........................................................... 255
Table 41. Solar Grade Polysilicon Production Cost Component Rate by Technology ............................... 257
Table 42. UMG-Si Capacity by Company .................................................................................................. 261
Table 43. Worldwide Wafer Demand Forecast ........................................................................................... 262
Table 44. Worldwide Wafer Demand Forecast by Type .............................................................................. 263
Table 45. Worldwide Wafer Demand Forecast by Type .............................................................................. 264
Table 47. Wafer Price Forecast by Quarter ................................................................................................. 265
Table 48. Worldwide Wafer Demand Market Forecast by Revenue ........................................................... 266
SAMPLE
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268 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
5.2. Figures
Figure 1. 폴리실리콘의 제조방식에 따른 시장 점유율 (Ref. Industry announcements, Wacker
estimates, 2008) .............................................................................................................................. 8
Figure 2. 폴리실리콘 제조공정 순서 ......................................................................................................... 9
Figure 3. 지멘스 석출공법에 사용되는 종형(Bell-Jar)반응기 기본구조 ............................................ 11
Figure 4. 지멘스 반응기 내부 모습 ......................................................................................................... 12
Figure 5. 지멘스법에 의해 제조된 실리콘 U자 막대 .......................................................................... 13
Figure 6. 실리콘 U자 막대를 분쇄하여 얻은 실리콘 Chunk .............................................................. 13
Figure 7. 유동층 반응기 ............................................................................................................................. 16
Figure 8. FBR법을 이용하여 제조한 폴리실리콘 (Wacker) .................................................................. 17
Figure 9. VLD 법의 개념도 및 이를 통해 제조된 폴리실리콘 .......................................................... 18
Figure 10. VLD 법을 이용하여 제조한 잉곳의 특성 ............................................................................ 19
Figure 11. Joint Solar Silicon (JSSi) 공정에서의 튜브 반응기 ................................................................ 20
Figure 12. 고밀도화 공정을 거친 실리콘 ............................................................................................... 21
Figure 13. 실리콘의 시간-온도 곡선 ....................................................................................................... 32
Figure 14. 온도에 따른 실리콘의 표면장력 ........................................................................................... 33
Figure 15. 온도에 따른 실리콘 용탕의 점도 특성 ............................................................................... 34
Figure 16. 실리콘 내 불순물 농도에 따른 효율 변화 ......................................................................... 38
Figure 17. 태양광급 폴리실리콘의 불순물 농도한계 ........................................................................... 40
Figure 18. HEM법으로 성장된 실리콘 블록 표면의 EBSD측정결과 ................................................. 41
Figure 19. 실리콘내에 존재하는 구조결함의 세가지 모델들 ............................................................. 42
Figure 20. 실리콘의 결정구조 및 공유결합 형태 ................................................................................. 44
Figure 21. (a) n-type 과 (b) p-type 실리콘의 결정개념도 ...................................................................... 45
Figure 22. 평형상태에서의 상태도 ........................................................................................................... 48
Figure 23. 유효분배계수 값에 따른 불순물의 농도 분포 ................................................................... 49
SAMPLE
Figure 24. 유효분배계수에 따른 농도분포 ............................................................................................. 50
Figure 25. 금속급, 태양광급 실리콘 및 상용화 폴리실리콘 내부에 존재하는 불순물 농도
분포 .............................................................................................................................................. 52
Figure 26. 실리콘 내 존재하는 금속 불순물의 농도에 따른 소수캐리어의 확산거리 ................. 53
Figure 27. 실리콘 내부에 존재하는 금속 불순물의 농도에 따른 태양전지의 효율저하 ............. 54
Figure 28. 금속불순물의 존재형태에 따른 소수캐리어의 확산거리 측정결과 ............................... 55
Figure 29. ICP 생성방법 모식도................................................................................................................ 58
Figure 30. SIMS의 측정원리 ...................................................................................................................... 61
Figure 31. SIMS 장치 구성도 .................................................................................................................... 62
Figure 32. SIMS 분석을 위한 샘플링 예 ................................................................................................ 64
Figure 33. SIMS분석 결과 예 .................................................................................................................... 64
Figure 34. GDMS 장비의 개념도 .............................................................................................................. 66
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269 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 35. GDMS측정장치의 핵심 구성도 .............................................................................................. 66
Figure 36. 다양한 분석법들의 측정 범위 ............................................................................................... 67
Figure 37. GDMS 플랫 셀 구조와 글로우방전 과정 ............................................................................ 68
Figure 38. 산세 이전(A)과 이후(B)의 실리콘 결정립계의 광학현미경 사진 .................................. 70
Figure 39. 실리콘내의 금속 불순물 고용도 ........................................................................................... 71
Figure 40. 산세 공정 개략도 ..................................................................................................................... 71
Figure 41. 직접저항가열방식을 이용한 흑연화로 ................................................................................. 75
Figure 42. 금속 실리콘의 제조를 위해 사용되는 아크로의 개락도 ................................................. 76
Figure 43. SiO 2 의 압력 및 온도에 대한 평형 상태도 .......................................................................... 77
Figure 44. Cold Crucible의 원리 ................................................................................................................. 78
Figure 45. Cold Crucible 내의 용탕에 작용하는 자기압의 개념적 설명도 ........................................ 79
Figure 46. 여러 가지 EMC 방식 .............................................................................................................. 82
Figure 47. 플라즈마 보조열원을 사용하는 유도용융가열장치 ........................................................... 83
Figure 48. 흑연 도가니를 이용한 간접유도용융장치 개념도 ............................................................. 84
Figure 49. 흑연을 이용한 간접유도용융 후 실리콘과 도가니의 계면 광학사진 ........................... 85
Figure 50. 흑연 도가니를 이용한 무접촉용융 개념도와 무접촉 용융장면 ..................................... 86
Figure 51. 아크 방전에 의한 열플라즈마 발생 방법 ........................................................................... 89
Figure 52. 아크 플라즈마의 제트 난류 현상 ......................................................................................... 92
Figure 53. ICP 플라즈마를 이용한 실리콘 정련 장치 개조도 ............................................................ 95
Figure 54. 산소농도에 따른 보론의 제거 정도 ..................................................................................... 96
Figure 55. 증기압에 따른 진공정련을 통한 불순물 제거효율 ........................................................... 98
Figure 56. 실리콘 내에 존재하는 농도에 따른 포스포러스의 증기압 ............................................. 99
Figure 57. 얻고자 하는 포스포러스의 함유량에 따른 실리콘 공정 Yield..................................... 100
Figure 58. 다양한 온도에서 진공정련 시간에 따른 정련 후 실리콘 내부에 존재하는 포스
포러스의 양 .............................................................................................................................. 101
Figure 59. 온도에 따른 산화물형성에 의한 자유에너지(Gibbs Energy) 변화................................. 103
SAMPLE
Figure 60. CaO/SiO 2 슬래그 비율에 따른 CO 분위기내에서의 보론의 분배계수변화 ................. 105
Figure 61. 래들안의 금속용탕과 슬래그층의 개념도와 불순물 농도 분포 ................................... 106
Figure 62. 플라즈마 토치를 이용한 보론의 산화정련공정 개념도 ................................................. 107
Figure 63. 플라즈마 토치를 이용한 산화정련시간에 따른 보론 함유량 ....................................... 108
Figure 64. 일방향응고 공정 진행에 따른 불순물 농도분포의 변화 ............................................... 109
Figure 65. 일방향응고 공정의 개념도 ................................................................................................... 110
Figure 66. 일방향응고된 폴리실리콘 블록의 단면 사진 ................................................................... 110
Figure 67. 도가니 외부단열재의 위치에 따른 도가니 내부의 온도 분포 ..................................... 111
Figure 68. 일방향응고 후의 실리콘 내부의 불순물 농도분포 ......................................................... 112
Figure 69. 일방향응고 후 상부에 집중된 불순물의 광학 사진 ....................................................... 113
Figure 70. 일방향응고 중 고상 및 액상내 불순물의 농도 분포 ..................................................... 114
Figure 71. 일방향응고속도에 따른 고화된 실리콘내부의 알루미늄 불순물 농도 계산결과 ..... 115
Figure 72. 가와사키스틸(일본)에서 연구된 실리콘의 일방향응고장치 개념도 ............................. 116
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270 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 73. 상부 가열여부에 따른 일방향응고 후의 실리콘 내부의 불순물 농도분포 ............... 117
Figure 74. 일방향응고정련 후 석출계수에 따른 불순물 함량 변화 ............................................... 118
Figure 75. Heat Exchange Method (HEM)와 Bridgman-Stockbarger(BS)법의 공정개념도 .................. 119
Figure 76. 양산용 태양전지용 폴리실리콘 일방향응고장치 ............................................................. 120
Figure 77. Elkem의 공정 개략도 ............................................................................................................. 121
Figure 78. ELKEM사의 폴리실리콘(직선) 과 상용 폴리실리콘(점선)을 이용한 잉곳내부의
불순물 농도분포 ....................................................................................................................... 121
Figure 79. 양산공정에 투입된 ELKEM폴리실리콘을 이용한 실리콘 태양전지의 변환효율 ...... 122
Figure 80. 기존 기상반응법 및 금속정련법과 SOLSIC 공정의 비교 ............................................. 123
Figure 81. SOLSILC 공정 개략도 ........................................................................................................... 123
Figure 82. SINTEF에서 사용되는 회전형 SiC 가열로 ........................................................................ 124
Figure 83. 폴리실리콘 정련 핵심 공정 ................................................................................................. 125
Figure 84. 공정시간에 따른 폴리실리콘 내 탄소 함유량 ................................................................. 125
Figure 85. Kawasaki Steel 실리콘 정련 공정 ......................................................................................... 126
Figure 86. Kawasaki Steel 실리콘 정련 공정 모식도 ........................................................................... 127
Figure 87. 전자빔 정련 공정에서 포스포러스의 제거율 ................................................................... 128
Figure 88. 첫번째 방향성 응고를 마친 잉곳의 불순물 분포 ........................................................... 128
Figure 89. 수소, 수증기 취입에 따른 플라즈마 공정에서의 보론 제거 ........................................ 129
Figure 90. NREL 공정 개략도 (modified HEM)..................................................................................... 130
Figure 91. 벤치 스케일의 modified HEM 반응로................................................................................. 131
Figure 92. NREL 실험에 사용한 HEM로와 60 kg급 실리콘 주괴 .................................................... 132
Figure 93. SolarValue AG에서 사용하고 있는 태양전지용 폴리실리콘 제조공정도 ...................... 133
Figure 94. Timminco 공정에서 사용되는 금속정련공정장치의 개념도 ............................................ 135
Figure 95. 이노베이션 실리콘에서 개발된 보론 산화정련을 위한 공정개념도 ........................... 137
Figure 96. 실리콘 용탕교반과 가스주입이 가능한 블레이드 구조 ................................................. 138
Figure 97. Timmminco사의 사업영역 ...................................................................................................... 139
SAMPLE
Figure 98. Timmico사의 일방향응고공정을 위한 생산라인................................................................ 140
Figure 99. ELKEM의 산업분야 ................................................................................................................ 141
Figure 100. ELKEM Solar의 마스터플랜 ................................................................................................ 142
Figure 101. Kristiansand의 Fiskaa에 있는 Elkem사의 생산플랜트 사진 ........................................... 143
Figure 102. Innovation Silicon사의 폴리실리콘 제조공정 flow ........................................................... 143
Figure 103. JFE Steel사에서 제조한 태양전지용 폴리실리콘 블록 ................................................... 146
Figure 104. Sloarvalue의 자본 관계 ........................................................................................................ 147
Figure 105. Zhejiang 지방에 설립된 ProPower사 전경 ........................................................................ 149
Figure 106. ProPower사의 태양전지용 폴리실리콘 생산라인 ............................................................ 150
Figure 107. 나이아가라폭포에 위치하고 있는 태양전지용 폴리실리콘 제조 플랜트 ................. 152
Figure 108. RSI Silicon사에서 사용하는 폴리실리콘 제조장비들 ..................................................... 154
Figure 109. SolarWorld AG사의 사업분야별 계열사들 ......................................................................... 157
Figure 110. 독일 Freiberg에 위치한 SolarWorld AG사의 핵심제조사들의 플랜트 ......................... 158
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271 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 111. 지멘스 공법의 제조단가 구성비 ....................................................................................... 159
Figure 112. 금속정련공법을 이용한 폴리실리콘 제조단가 구성비 ................................................. 161
Figure 113. 태양광 모듈의 제조단가 분석 결과 ................................................................................. 164
Figure 114. 웨이퍼두께와 전지효율에 따른 모듈제조단가 추이 ..................................................... 165
Figure 115. 초크랄스키 성장 장치 ........................................................................................................ 169
Figure 116. 초크랄스키 성장을 통한 단결정 잉곳 제조 과정 ......................................................... 170
Figure 117. 초크랄스키 성장 속도에 따른 잉곳의 직경변화 ........................................................... 171
Figure 118. 전형적인 단결정 실리콘 잉곳 ........................................................................................... 172
Figure 119. 부유대역법(FZ) 장치 ........................................................................................................... 172
Figure 120. 일반적인 폴리실리콘 블록형 잉곳 ................................................................................... 173
Figure 121. 폴리 블록형 잉곳의 생산 방법들 ..................................................................................... 174
Figure 122. 전위 결함 분포와 효율 분포 (a) Internal Quantum Efficiency (LBIC Mapping Image,
832 nm) (b) Dislocation Density ................................................................................................. 174
Figure 123. 블록 캐스팅법을 이용하여 제조한 폴리실리콘 ............................................................. 176
Figure 124. 태양전지용 웨이퍼 제조 공정 ........................................................................................... 177
Figure 125. 실리콘 웨이퍼 제조 공정 및 절단 손실 ......................................................................... 178
Figure 126. 폴리실리콘 블록킹 공정 .................................................................................................... 178
Figure 127. 실리콘 잉곳 sawing 공정 및 공정 별 손실률 ............................................................... 179
Figure 128. 실리콘 블록 절단 공정 ...................................................................................................... 180
Figure 129. 폴리실리콘 블록의 1 차 절단 이후의 모습 ................................................................... 180
Figure 130. 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 두께와 절단 손실량의 변화추이 ................................. 181
Figure 131. DFT 기술로 제조된 박형 실리콘 웨이퍼 ........................................................................ 183
Figure 132. DFT 웨이퍼링 기술의 개념도 ............................................................................................ 184
Figure 133. Cleaving Stage 공정의 개념도 ............................................................................................. 184
Figure 134. PolyMax에서 제조된 DFT 웨이퍼와 기존 웨이퍼로 제조된 태양전지 특성 ............ 185
Figure 135. SLIM법을 이용한 박형 웨이퍼 제조기술 개념도 .......................................................... 186
Figure 136. SLIM법으로 제조된 웨이퍼를 이용한 태양전지 셀과 I-V 특성 ................................. 187
SAMPLE
Figure 137. 표면 에팅한 실리콘 웨이퍼 내부에 존재하는 결정결함 ............................................. 190
Figure 138. 수평성장된 리본형 웨이퍼의 결정 미세구조 ................................................................. 191
Figure 139. 표본 통과 전후의 적외선 세기변화 ................................................................................. 193
Figure 140. 실리콘 웨이퍼의 FTIR측정결과 ((a) 측정대상시편의 흡수스팩트럼, (b) 탄소, 산
소에 의한 흡수 스팩트럼) ..................................................................................................... 196
Figure 141. Four-Point Probe법에 의한 면저항 측정 원리 .................................................................. 199
Figure 142. 실리콘의 재결합 수명에 따른 전기적 특성 수치해석 결과 ....................................... 201
Figure 143. Resonant-coupled Photo-conductive Decay(RCPCD)측정 시스템의 개조도 ..................... 203
Figure 144. 금속급 실리콘의 소수반송자 수명 측정결과 ................................................................. 204
Figure 145. 반도체급 실리콘의 소수반송자 수명 측정결과 ............................................................. 205
Figure 146. 리본형 웨이퍼의 소수반송자 수명 측정결과 ................................................................. 205
Figure 147. 다양한 리본형 웨이퍼 제조법 ........................................................................................... 207
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272 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 148. 메니스커스 모양에 따른 분류 (M1,M2:타입1, M3:타입2) ............................................ 208
Figure 149. 결정 성장방향(고액계면이동방향) 에 따른 분류 .......................................................... 209
Figure 150. 열응력 감소를 위한 후열처리 방식 (EFG 방식) ........................................................... 211
Figure 151. String Ribbon기술의 기본 개념도 ....................................................................................... 211
Figure 152. 수평성장방식인 RGS(Ribbon Growth on Substrate)제조법의 개념도 ............................. 214
Figure 153. Dendritic Web 장치 ................................................................................................................ 217
Figure 154. 기술별 리본 태양전지의 효율 추이 (Lab Scale) ............................................................ 218
Figure 155. Edge-defined Film-fed Growth (EFG) 방식의 개략도 ......................................................... 219
Figure 156. EFG 성장 장치와 8각 기둥형태로 제작된 웨이퍼 사진 .............................................. 220
Figure 157. EFG로 제작된 웨이퍼 사진 (EFG-Cell 125 x 125 mm) .................................................... 220
Figure 158. SR(String Ribbon)법 공정 개략도 ....................................................................................... 222
Figure 159. SR 법 장치 ............................................................................................................................ 223
Figure 160. RGS 성장 장치...................................................................................................................... 224
Figure 161. RGS 방법에서의 결정 성장과 온도 분포 ........................................................................ 225
Figure 162. RGS 방식에서 성장조건에 따른 결정구조 비교 ............................................................ 225
Figure 163. 초기 웨이퍼 온도에 따른 RGS 웨이퍼 두께(좌) 및 성장속도(우) ............................ 226
Figure 164. RGS법에서의 Shunting Mechanisms .................................................................................... 227
Figure 165. RGS 웨이퍼의 효율 추이 .................................................................................................... 227
Figure 166. SSP 공정 개략도 ................................................................................................................... 228
Figure 167. Silicon Ribbon of 20 cm .......................................................................................................... 228
Figure 168. 재결정 과정을 거친 SSP sheet ........................................................................................... 229
Figure 169. SSP Sheet의 미세구조 a. 상부 b. 단면 c. 하부 ............................................................... 229
Figure 170. Sharp에서 제조한 CDS 웨이퍼 .......................................................................................... 230
Figure 171. CDS를 이용한 실리콘 웨이퍼 제조공정 개념도 ............................................................ 231
Figure 172. CDS 공정을 통한 웨이퍼 크기와 생산량 변화 .............................................................. 231
Figure 173. CDS 웨이퍼의 평면 IPF mapping결과 ............................................................................... 232
SAMPLE
Figure 174. CDS 웨이퍼를 이용한 태양전지 셀 효율 ........................................................................ 233
Figure 175. CDS 웨이퍼를 이용한 태양전지 모듈 .............................................................................. 233
Figure 176. 한 번에 네 개의 String Ribbon을 동시에 성장시킬 수 있는 제조 장치 ................... 235
Figure 177. 중국 Jiawei에 건설중인 태양전지 생산라인................................................................... 236
Figure 178. Alzenau와 Jena지역의 사업분야와 태양전지용 웨이퍼 생산량 목표 .......................... 237
Figure 179. Wacker-Schott Solar사의 사업분야 ....................................................................................... 238
Figure 180. RGS법을 이용한 리본 양산제조설비 3차원 외부설계도 .............................................. 239
Figure 181. 실리콘 태양전지 모듈의 단가 구성비 ............................................................................. 241
Figure 182. 폴리실리콘 웨이퍼의 제조단가 구성비 ........................................................................... 242
Figure 183. Polysilicon Supply Forecast by Grade (2008~2013) ............................................................... 246
Figure 184. Solar Grade Polysilicon Supply & Demand Forecast .............................................................. 247
Figure 185. Solar Grade Polysilicon Price Trend ($/Kg) ............................................................................ 251
Figure 186. Solar Grade Polysilicon Revenue Forecast .............................................................................. 252
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273 Apr’10

저원가 폴리실리콘, 웨이퍼 기술 및 시장 전망 (2009~2013) L
Figure 187. Solar Grade Polysilicon Production Cost by Technology ........................................................ 254
Figure 188. Solar Grade Polysilicon Production Cost Component Rate by Technology ............................ 256
Figure 189. Solar Grade Polysilicon Supply Rate by Region (2009, 2013) ................................................ 258
Figure 190. Solar Grade Polysilicon Supply by Region (2009, 2012) ........................................................ 258
Figure 191. Solar Grade Polysilicon Supply by Region (2009, 2010, 2013, Unit : MT) ............................ 259
Figure 192. Worldwide UMG-Silicon Production & Capacity ................................................................... 261
Figure 193. Worldwide Wafer Demand Forecast ........................................................................................ 262
Figure 194. Worldwide Wafer Demand Forecast by Type .......................................................................... 263
Figure 195. Wafer Price Forecast by Year ................................................................................................... 264
Figure 196. Wafer Price Forecast by Quarter .............................................................................................. 265
Figure 197. Worldwide Wafer Demand Market Forecast by Revenue ........................................................ 266
SAMPLE
End of the Report
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274 Apr’10