KR100893183B1 - 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의제조장치 및 방법 - Google Patents

레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의제조장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정; 상기 반응기 내에 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정; 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법, 및 그 방법을 구현하기 위한 제조장치에 관한 것으로서,
본 발명에 따르면, 레이저 빔을 이용하여 실란가스를 열분해시켜 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시기 때문에, 종래의 방법에 비하여 단기간에 폴리실리콘을 얻을 수 있고 종래의 방법에 비하여 전기소모량이 대폭 감소되어 생산성이 향상되는 장점이 있다.
폴리실리콘, 레이저 빔

Description

레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치 및 방법{Apparatus and Method of manufacturing polysilicon using Laser Induced Chemical Vapor Deposition}
본 발명은 폴리실리콘(polysilicon)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용하여 폴리실리콘를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
폴리실리콘은 결정구조가 다결정 상태이면서 순도가 매우 높아 현재 반도체소자, 태양전지 등 상업적으로 널리 이용되고 있다.
이와 같은 폴리실리콘은 막대형 또는 입자형으로 제조되고 있는데, 그 제조방법을 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
우선, 규석/규사(주성분: SiO2)와 흑연(주성분: C)을 아크 방전로에서 반응시켜 순도가 약 99%정도의 금속급 Si(Metallurgical Si: MG-Si)를 제조한다.
다음, 상기 Me-Si를 출발물질로 하여 가스화 공정을 통해 실란원료를 합성, 분리, 정제하여 고순도를 갖는 가스상태의 실란원료를 제조한다. 제조되는 고순도 실란가스로는 화화식 SiHCl3로 표현되는 삼염화실란(trichlorosilan: TCS)가스 또는 화학식 SiH4로 표현되는 모노실란(monosilan:MS)가스이다.
상기 삼염화실란가스는 MG-Si를 HCl과 반응시켜 얻고, 상기 모노실란가스는 MG-Si를 SiCl4 및 H2와 반응시키거나 또는 MG-Si를 SiF4 및 NaAlH4와 반응시켜 얻는다.
다음, 화학기상증착공정(Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 상기 고순도 실란가스로부터 실리콘을 석출하여 고체상태의 폴리실리콘을 제조한다.
실란가스는 고온의 환경하에서 수소환원반응 및 열분해반응을 통해 Si미립자를 생성시키는데, 이와 같이 생성된 Si미립자가 결정 씨드(seed)로 기능하는 막대 또는 입자의 표면에 석출되어 다결정의 폴리실리콘이 얻어지는 것이다.
이와 같이 실란가스를 이용하여 고체상태의 폴리실리콘을 제조하는 종래의 방법으로는 지멘스석출법 및 유동층석출법이 있는데, 이하 도면을 참조로 각각의 방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 지멘스석출법에 의한 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 지멘스석출법은 종형 반응기(Bell-Jar Reactor)(10)를 이용하여 실란가스로부터 막대형 폴리실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로 설명하면, 우선, 상기 종형 반응기(10) 내부에 6 내지 7 mm 정도의 가느다란 굵기를 갖는 Si 코어 필라멘트(20)를 ∩형상으로 위치시키고, 상기 Si 코어 필라멘트(20)의 말단을 전극(30)과 연결시킨다. 다음, 예열기(pre-heater)를 이용하여 300℃ 이상으로 예열시킴으로써 상기 Si 코어 필라멘트(20)의 비저항을 낮춰 전기저항 가열이 가능하도록 한다. 다음, 전극(30)을 통해 소정 전위차의 전기를 공급하여 상기 Si 코어 필라멘트(20)를 높은 온도로 가열하고, 실란가스 및 수소가스로 이루어진 반응가스를 상기 종형 반응기(10) 내부로 공급한다. 그리하면, 상기 Si 코어 필라멘트(20) 표면에 Si가 석출되면서 점차로 상기 Si 코어 필라멘트(20)의 굵기가 증가하게 된다. 이와 같은 전기저항가열 및 Si석출공정을 수일 내지 수십일 이상 유지하여 직경이 약 10 내지 15cm 정도가 되는 막대형 폴리실리콘 제품이 얻어진다.
도 2는 종래의 유동층석출법에 의한 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 유동층석출법은 유동층 반응기(Fluidized Bed Reacotr)(40)를 이용하여 실란가스로부터 입자형 폴리실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로 설명하면, 우선, 유동층 반응기(40) 내부로 반응가스를 최소유동화속도 이상으로 주입하면서 약 0.2 내지 0.4 mm의 평균 크기를 갖는 Si 종(seed)입자들을 공급하여 상기 Si 종입자들이 유동층을 형성할 수 있도록 한다. 다음, 상기 Si 입자들을 전기저항가열방식으로 석출온도 이상으로 가열시킨 후 상기 유동층 반응기(40) 내부로 실란가스 및 수소가스로 이루어진 반응가스를 공급한다. 그리하면, 유동하는 Si 입자 표면에 Si가 석출되면서 점차로 Si 입자의 크기가 증가하게 된다. 이와 같은 Si석출공정을 소정 기간 유지하면 크기가 증가된 Si 입자들이 점차로 하부로 가라앉게 되고 결국 반응기 하부에 설치된 배출구(50)를 통해 배출되어 입자형 폴리실리콘 제품이 얻어진다.
그러나 이와 같은 종래의 지멘스석출법 및 유동층석출법은 전기저항가열을 이용하여 실란가스를 분해하여 Si를 석출하는 방식상의 한계로 인해서 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 전기저항가열을 이용하여 실란가스를 분해하여 Si를 원활히 석출하기 위해서는 반응기 내부의 온도를 1000℃이상으로 유지하여야 하는 것이 필요한데, 그에 따라서, 전기가열의 부담이 매우 크고 전기소모량이 막대하여 초기 설비투자비가 매우 비싸다는 단점이 있다.
둘째, 전기저항가열을 이용하여 실란가스를 분해하여 Si를 석출함으로써 원하는 크기의 폴리실리콘 제품을 얻기 위해서는 경우에 따라 수십일 이상의 장기간의 시간이 필요하기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기 종래의 단점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 전기가열의 부담을 줄여 전기소모량을 감소시킴과 더불어 종래에 비하여 단기간에 원하는 크기의 폴리실리콘 제품을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해서, 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정; 상기 반응기 내에 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정; 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법을 제공한다.
이때, 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정은 CO2 레이저 빔을 조사하는 공정으로 이루어질 수 있고, 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정 이전에 상기 종 실리콘을 300 내지 800 ℃의 범위로 가열하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.
상기 반응기 내에 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정은 상기 반응기 내에 막대형 종 실리콘을 설치하는 공정으로 이루어지고, 이때 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정시, 상기 막대형 종 실리콘을 회전시킬 수 있으며, 그에 더하여, 상기 막대형 종 실리콘을 레이저 빔에 의해 열분해되는 실란가스 쪽으로 전진시키거나 또는 열분해되는 실란가스로부터 후퇴시킬 수 있다.
상기 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정 및 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정은, 실란가스 및 종 실리콘 입자의 혼합물을 상기 반응기에 공급하는 공정으로 이루어지고, 이때, 상기 실리콘 입자의 석출공정 이후에, 소정 크기 범위의 실리콘 입자는 선별하여 외부로 배출하고 소정 크기 미만의 실리콘 입자는 상기 반응기로 공급하여 순환시킬 수 있으며, 또한, 상기 석출공정 후 잔존하는 실란가스를 정제한 후 상기 반응기로 순환시켜 재활용할 수 있다.
본 발명은 또한, 반응기; 상기 반응기 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스공급부; 상기 가스공급부와 마주하면서 상기 반응기 내에 설치되는 막대형 종(seed) 실리콘; 상기 막대형 종 실리콘을 가열하기 위한 가열장치; 및 상기 가스공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위한 레이저 조사장치를 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치를 제공한다.
상기 막대형 종 실리콘은 상하이동 및 회전가능한 소정의 지지구와 연결되어 있어, 상기 지지구의 상하이동 및 회전에 의해 상기 막대형 종 실리콘이 상하이동 및 회전하도록 구성할 수 있다.
본 발명은 또한, 실란가스 및 종(seed) 실리콘 입자를 혼합하기 위한 혼합기; 상기 혼합기와 연결되어 있으며, 상기 혼합기로부터 제공받은 실란가스 및 종 실리콘 입자를 예열하기 위한 예열기; 상기 예열기와 연결되어 있으며, 상기 예열 기로부터 제공받은 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘 입자의 표면에 실리콘 입자를 석출시키기 위한 반응기; 상기 반응기 내의 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해시키기 위한 레이저 조사장치; 및 상기 반응기와 연결되어 있으며, 상기 반응기에서 얻어진 실리콘 입자를 선별하여 배출하는 선별기를 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치를 제공한다.
상기 선별기 및 혼합기와 각각 연결되는 가스정제기를 추가로 포함하여, 상기 선별기에서 이동된 실란가스를 정제시켜 상기 혼합기로 제공함으로써 실란가스를 순환재활용할 수 있다.
상기 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써 실란가스의 열분해를 통해 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시켜 폴리실리콘을 제조하기 때문에, 종래의 방법에 비하여 단기간에 폴리실리콘을 얻을 수 있는 장점이 있다.
즉, 레이저는 단일파장의 광이기 때문에 분해할 원료가스에 대한 선택성을 가지고 고에너지의 빔이기 때문에 다광자 흡수에 의한 원료가스의 분해가 비교적 단기간에 용이하게 이루어진다는 특성이 있으므로, 본 발명은 이와 같은 특성의 레이저 빔을 이용하여 실란가스를 분해하여 실리콘 입자를 석출시킴으로써, 전기저항가열만을 이용하여 실란가스를 분해하도록 한 종래의 방법에 비하여 실리콘 입자의 석출시간이 단축된다.
특히, 실란가스의 흡수파장은 944.213 cm-1인데, 다양한 레이저 중에서 CO2레이저의 경우 그 파장이 944.195cm-1로써 상기 실란가스의 흡수파장과 거의 일치하기 때문에, CO2레이저 빔을 이용하여 실란가스를 분해할 경우 그 분해효율이 극대화되는 장점이 있다.
둘째, 본 발명은 실리콘 입자의 석출을 용이하게 하기 위해서 종(seed) 실리콘을 전기저항가열방식으로 가열하지만 그 가열온도가 300 내지 800 ℃ 정도이므로, 전기저항가열방식을 이용하여 1000℃ 이상으로 가열하는 종래의 경우에 비하여 전기소모량이 대폭 감소되는 장점이 있다.
즉, 본 발명도 종래와 유사하게 전기저항가열방식을 이용할 수 있지만 이와 같은 가열공정은 실란가스를 분해하는 목적으로 수행하는 것이 아니고 종 실리콘을 예열하여 실리콘 입자의 석출을 용이하게 하기 위한 목적으로 수행하는 것이기 때문에 그 가열온도를 300 내지 800 ℃ 정도로 설정하면 충분한데 반하여, 종래의 경우 전기저항가열공정은 실란가스를 분해하는 것을 주된 목적으로 하기 때문에 그 가열온도를 1000℃ 이상으로 설정해야 하는 것이다. 따라서, 본 발명의 경우 종래에 비하여 전기소모량을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.
셋째, 본 발명은 실리콘 입자의 석출공정시 막대형 종 실리콘을 회전함과 더불어 반응기 내에서 상하로 이동가능하게 구성함으로써 막대형 종 실리콘의 표면 전체에 실리콘 입자가 균일하게 석출되는 장점이 있다.
넷째, 본 발명은 실리콘 입자의 석출공정 이후에 잔존하는 실란가스를 외부로 배기하는 대신에 가스정제기로 정제하여 순환 재활용함으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
<레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법>
본 발명에 따른 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법은, 반응기 내에 실란가스 및 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정, 및 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써 상기 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진다.
상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정은 적외선 레이저 빔, 바람직하게는 CO2 레이저 빔을 이용하여 수행한다.
상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 실리콘 입자를 석출시키는 공정 이전에, 상기 석출공정을 원활히 하기 위해서 상기 종 실리콘을 가열할 수 있다. 이 경우, 전기저항가열방식을 이용할 수 있으며 가열 온도는 300 내지 800 ℃의 범위이다.
상기 반응기 내에 공급하는 종 실리콘으로서 실리콘 코어 필라멘트 또는 실리콘 봉과 같은 막대형 종 실리콘을 이용할 수 있으며, 이 경우 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정시 상기 막대형 종 실리콘을 회전시킴으로써 상기 막대형 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자가 균일하게 석출되도록 할 수 있다. 경우에 따라서, 상기 막대형 종 실리콘을 레이저 빔에 의해 분해되는 실란가스 쪽으로 전진시키거나 또는 열분해되는 실란가스로부터 후퇴시킴으로써 석출 공정을 보다 효과적으로 제어하는 것도 가능하다. 이와 같은 방식을 구현하기 위한 구체적인 제조장치의 일 예로서 후술하는 도 3과 같은 장치가 이용될 수 있지만, 반드시 도 3과 같은 장치만으로 한정되는 것은 아니다.
상기 반응기 내에 공급하는 종 실리콘으로서 입자형 종 실리콘을 이용할 수 있으며, 이 경우 상기 반응기 내에 실란가스와 종(seed) 실리콘의 혼합물을 공급할 수 있고, 실리콘 입자의 석출공정 이후에는 소정 크기 범위의 실리콘 입자는 선별하여 외부로 배출하고 소정 크기 미만의 실리콘 입자는 상기 반응기로 공급하여 순환시킴으로써 입자형 폴리실리콘을 정지 공정 없이 연속적으로 얻을 수 있다. 또한, 상기 석출공정 후 잔존하는 실란가스를 반응기 외부로 배기하지 않고 정제한 후 반응기로 순환시켜 재활용할 수 있다. 이와 같은 방식을 구현하기 위한 구체적인 제조장치의 일 예로서 후술하는 도 4와 같은 장치가 이용될 수 있지만, 반드시 도 4와 같은 장치만으로 한정되는 것은 아니다.
<레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치>
제1실시예
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치에 관한 것으로서, 이는 막대형 폴리실리콘을 제조하는 장치 이다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치는 반응기(100), 가스공급부(200), 막대형 종(seed) 실리콘(300), 가열장치(400), 및 레이저 조사장치(500)를 포함하여 이루어진다.
상기 반응기(100)는 실란가스가 열분해되어 상기 막대형 종 실리콘(300)의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 반응 공간이다. 상기 반응기(100)의 소정 영역에는 반응기(100) 내부를 질소분위기로 조성하기 위해서 질소가스주입구(110)가 형성되고, 반응가스를 배기시키기 위한 배기구(130)가 형성된다.
상기 가스공급부(200)은 상기 반응기(100) 내에 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스를 공급하기 위한 것으로서, 상기 반응기(100)의 상측에 형성된다. 상기 가스공급부(200)는 상기 반응기(100) 내부에 위치하는 가스공급노즐(230) 및 상기 가스공급노즐(230)과 연통되며 상기 반응기(100)의 외부까지 연장되는 가스공급배관(260)을 포함하여 이루어지고, 도시하지는 않았지만, 상기 가스공급배관(260)의 말단에는 실란가스를 수용하고 있는 가스공급탱크가 연결된다.
상기 막대형 종 실리콘(300)은 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(230)과 마주하면서 상기 반응기(100)의 하측 내부에 설치된다. 상기 막대형 종 실리콘(300)은 6 내지 7mm 굵기의 실리콘 코어 필라멘트 또는 실리콘 봉의 형태로 이루어질 수 있다.
상기 막대형 종 실리콘(300)은 소정의 지지구(330)와 연결되어 있고, 상기 지지구(330)는 구동모터(360)와 연결되어 있다. 상기 구동모터(360)에 의해 상기 지지구(330)가 회전하게 되고, 그에 따라 상기 지지구(330)와 연결된 상기 막대형 종 실리콘(300)이 회전하게 된다. 이와 같이, 상기 막대형 종 실리콘(300)이 회전함에 따라 상기 막대형 종 실리콘(300)의 표면 전체에 실리콘 입자가 균일하게 석출되게 된다.
또한, 도시하지는 않았지만, 상기 지지구(330)는 소정의 이송기구에 의해 상기 반응기(100) 내에서 상하로 이동가능하게 구성되며, 그에 따라 상기 지지구(330)와 연결된 상기 막대형 종 실리콘(300)이 상하로 이동가능하게 된다. 이와 같이 상기 막대형 종 실리콘(300)이 상하로 이동함에 따라 상기 막대형 종 실리콘(300)과 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(230) 사이의 간격을 자유롭게 조절할 수 있어 상기 막대형 종 실리콘(300)의 표면에서 실리콘 입자의 석출을 보다 용이하게 제어할 수 있다.
상기 가열장치(400)는 상기 막대형 종(seed) 실리콘(300)을 예열하기 위한 것으로서, 전기저항 가열장치로 이루어질 수 있다. 상기 전기저항 가열장치는 제1전극(420)과 제2전극(440), 전원선(460), 및 전원(480)을 포함하여 구성된다. 상기 제1전극(420)과 제2전극(440)은 상기 막대형 종 실리콘(300)의 양단과 각각 접촉하고, 상기 전원선(460)은 상기 제1전극(420)과 제2전극(440)에서 상기 반응기(100) 외부로 연장되며, 상기 전원(480)은 상기 전원선(460)과 연결된다.
상기 레이저 조사장치(500)는 상기 가스공급노즐(200)에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위한 것으로서, 레이저 빔이 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(230)과 막대형 종(seed) 실리콘(300)의 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치된다.
상기 레이저 조사장치(500)는 CO2 레이저와 같은 적외선 레이저 조사장치로 이루어질 수 있으며, 레이저 조사부(520), 광학계(540), 및 레이저 파워 수신부(560)를 포함하여 구성된다. 상기 레이저 조사부(520)는 레이저 빔을 조사하는 것이고, 상기 광학계(540)는 조사된 레이저 빔의 균일도를 향상시키기 위한 것이고, 상기 레이저 파워 수신부(560)는 조사된 레이저 빔을 수신하는 것으로서, 상기 레이저 조사부(520) 및 광학계(540)는 상기 반응기(100)의 일측 외부에 위치하고, 상기 레이저 파워 수신부(560)는 상기 반응기(100)의 타측 외부에 위치한다.
이와 같이 상기 레이저 조사장치(500)는 상기 반응기(100)의 외부에 설치되기 때문에, 조사되는 레이저 빔이 상기 반응기(100) 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응기(100)의 소정 영역에는 윈도우(150)가 형성된다. 상기 윈도우(150)는 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성물질을 이용하여 형성한다.
이와 같은 도 3에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 가열장치(400)를 이용하여 상기 막대형 종 실리콘(300)을 300 내지 800 ℃ 정도로 예열시킨다.
다음, 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(230)을 통해 반응기(100) 내부로 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스를 공급하고, 상기 레이저 조사장치(500)를 통해 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사한다. 그리하면, 상기 실 란가스가 열분해되어 실리콘 입자가 생성되고 생성된 실리콘 입자가 상기 막대형 종 실리콘(300)의 표면에 석출되어 시간이 지남에 따라 상기 막대형 종 실리콘(300)의 두께가 증가된다. 이때, 반응기(100) 내부의 압력은 수 mTorr 내지 수백 Torr 범위 내로 제어한다.
또한, 상기 석출공정시 상기 지지구(330)를 회전시켜 상기 막대형 종 실리콘(300)의 표면 전체에 실리콘 입자가 균일하게 석출될 수 있도록 하며, 경우에 따라서 상기 지지구(330)를 상하로 이동시킬 수 있다.
제2실시예
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치에 관한 것으로서, 이는 입자형 폴리실리콘을 제조하는 장치이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치는 혼합기(600), 예열기(650), 반응기(700), 레이저 조사장치(750), 선별기(800), 및 가스정제기(850)를 포함하여 이루어진다.
상기 혼합기(600)는 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스가 주입될 수 있는 제1주입구(610) 및 종(seed) 실리콘 입자가 주입될 수 있는 제2주입구(620)를 구비하여, 상기 제1주입구(610) 및 제2주입구(620)를 통해 각각 주입되는 실란가스 및 종(seed) 실리콘 입자를 혼합하기 위한 것이다. 상기 혼합기(600)로 주입되는 종 실리콘 입자는 대략 0.2 내지 0.4 mm 크기를 갖게 되며, 이와 같은 크기의 실리콘 입자는 실란가스와 혼합된 후 소정의 유동화 속도를 가지면 서 상기 예열기(650)를 거쳐 상기 반응기(700)로 투입된다.
상기 예열기(650)는 상기 혼합기(600)와 제1배관(910)을 통해 연결되어 있으며, 상기 제1배관(910)을 통해 상기 혼합기(600)로부터 제공받은 실란가스 및 종 실리콘 입자를 예열하기 위한 것이다. 상기 예열기(650)는 저항히터 또는 마이크로 웨이브 가열기 등을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 반응기(700)는 상기 예열기(650)와 제2배관(920)을 통해 연결되어 있으며, 상기 제2배관(920)을 통해 상기 예열기(650)로부터 제공받은 실란가스를 열분해시켜 상기 종 실리콘 입자의 표면에 실리콘 입자를 석출시키기 위한 반응 공간이다.
상기 반응기(700)는 실리콘 입자의 석출반응이 이루어지는 튜브(710) 및 상기 튜브(710)를 둘러싸는 외벽(730)을 포함하여 이루어질 수 있는데, 상기 튜브(710)는 레이저 빔이 투과할 수 있는 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성물질로 구성되고, 상기 외벽(730)은 레이저 빔이 투과할 수 있는 윈도우(735)를 구비하여 이루어진다. 상기 외벽(730)에 구비된 윈도우(735)는 도시한 바와 같이 외벽(730)의 소정 영역을 오픈시켜 형성할 수도 있고, 경우에 따라 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성 물질로 형성할 수도 있다.
상기 레이저 조사장치(750)는 상기 반응기(700) 내의 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해시키기 위한 것으로서, 상기 반응기(700)의 외벽(730)에 구비된 윈도우(735)를 통해 상기 튜브(710) 쪽으로 레이저가 조사될 수 있도록 상기 반응기(700)의 외부에 설치된다.
상기 레이저 조사장치(750)는 CO2 레이저와 같은 적외선 레이저 조사장치로 이루어질 수 있으며, 전술한 도 3에 따른 장치에서와 동일하게 레이저 조사부, 광학계, 및 레이저 파워 수신부를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 선별기(800)는 상기 반응기(700)와 제3배관(930)을 통해 연결되어 있으며, 상기 제3배관(930)을 통해 상기 반응기(700)에서 제공받은 실리콘 입자를 선별하여 배출하는 것이다. 상기 선별기(800)에서는 대략 1.0 내지 1.5 mm 크기의 폴리실리콘을 선별하여 외부로 배출시키기 되며, 이를 위해서 상기 선별기(800)에는 입자 배출구(810)가 구비되어 있다. 따라서 1.0 크기 미만의 폴리실리콘은 다시 상기 혼합기(600)로 이동한 후, 상기 예열기(650) 및 반응기(700)를 거쳐 다시 선별기(800)로 순환하게 된다.
상기 가스정제기(850)는 상기 선별기(800)와 제4배관(940)을 통해 연결되어 있고 상기 혼합기(600)와 제5배관(950)을 통해 연결되어 있다. 반응을 완료한 후 잔존하는 실란가스를 외부로 배기할 수도 있지만 그와 같은 실란가스를 재활용하는 것이 생산성 향상에 유리하기 때문에 실란가스를 정제하여 순환재활용하기 위해서 상기 가스정제기(850)를 구성하는 것이며, 따라서, 반응을 완료한 후 잔존하는 실란가스를 외부로 배기할 경우 상기 가스정제기(850)는 생략할 수도 있다.
이와 같은 도 4에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
우선, 상기 혼합기(600)의 제1주입구(610) 및 제2주입구(620)를 통해 상기 혼합기(600) 내로 실란가스 및 종(seed) 실리콘 입자를 주입한 후 균일하게 혼합한다.
다음, 상기 실란가스 및 종(seed) 실리콘 입자의 혼합물을 유동화 속도로 상기 예열기(650)로 이동시켜 300 내지 800 ℃ 정도로 예열시킨 후 상기 반응기(700)로 이동시킨다.
이때, 상기 레이저 조사장치(750)를 통해 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해시킨다. 그리하며, 상기 실란가스의 열분해에 의해서 실리콘 입자가 생성되고 생성된 실리콘 입자가 상기 종 실리콘 입자의 표면에 석출되어 실리콘 입자의 크기가 커지게 된다.
다음, 얻어진 실리콘 입자를 상기 선별기(800)로 이동시켜 1.0 내지 1.5 mm 크기의 폴리실리콘은 선별하여 외부로 배출시키고, 1.0 크기 미만의 폴리실리콘은 다시 혼합기(600)로 이동시켜 상기 공정을 반복순환시킨다.
한편, 상기 반응 후 잔존하는 실란가스는 상기 선별기(800)를 경유하여 상기 가스정제기(850)에서 정제한 후 상기 혼합기(600)로 이동시켜 재활용할 수 있다.
도 1은 종래의 지멘스석출법에 의한 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도.
도 2는 종래의 유동층석출법에 의한 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
<도면의 주요부의 도면부호에 대한 설명>
100, 700: 반응기 200: 가스공급부
300: 막대형 종 실리콘 400: 가열장치
500, 750: 레이저 조사장치 600: 혼합기
650: 예열기 700: 반응기
800: 선별기 850: 가스정제기

Claims (15)

  1. 가스공급노즐을 통해 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정;
    상기 반응기 내에 막대형 종(seed) 실리콘을 공급하는 공정;
    상기 막대형 종 실리콘을 300 내지 800 ℃의 범위로 가열하는 공정;
    상기 막대형 종 실리콘을 회전하면서 상기 가스공급노즐과 막대형 종 실리콘의 사이 영역으로 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 조사하는 공정시, 상기 막대형 종 실리콘을 레이저 빔에 의해 열분해되는 실란가스 쪽으로 전진시키거나 또는 열분해되는 실란가스로부터 후퇴시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  3. 실란가스 및 종 실리콘 입자의 혼합물을 반응기에 공급하는 공정;
    상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘 입자의 표면에 실리콘 입자를 석출시키는 공정;
    상기 실리콘 입자의 석출공정 이후에, 소정 크기 범위의 실리콘 입자는 선별하여 외부로 배출하고 소정 크기 미만의 실리콘 입자는 상기 반응기로 공급하여 순환시키는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 석출공정 후 잔존하는 실란가스를 정제한 후 상기 반응기로 순환시켜 재활용하는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 실란가스에 레이저 빔을 조사하는 공정 이전에, 상기 종 실리콘을 300 내지 800 ℃의 범위로 가열하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 레이저 빔을 조사하는 공정은 CO2 레이저 빔을 조사하는 공정으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 반응기;
    상기 반응기 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스공급부;
    상기 가스공급부와 마주하면서 상기 반응기 내에 설치되는 막대형 종(seed) 실리콘;
    상기 막대형 종 실리콘을 가열하기 위한 가열장치; 및
    상기 가스공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위한 레이저 조사장치를 포함하여 이루어지며,
    상기 레이저 조사장치는 상기 반응기 외부에 위치하되 레이저 빔이 상기 가스공급부와 막대형 종(seed) 실리콘의 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치되고,
    상기 레이저 조사장치에서 조사되는 레이저 빔이 상기 반응기 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응기의 소정 영역에는 윈도우가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 막대형 종 실리콘은 상하이동 및 회전가능한 소정의 지지구와 연결되어 있어, 상기 지지구의 상하이동 및 회전에 의해 상기 막대형 종 실리콘이 상하이동 및 회전하는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 가열장치는 상기 막대형 종 실리콘의 양단과 각각 접촉하는 제1전극과 제2전극, 상기 제1전극과 제2전극에서 상기 반응기 외부로 연장되는 전원선, 및 상기 전원선에 연결된 전원을 포함하는 전기저항가열장치로 이루어진 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  11. 삭제
  12. 실란가스 및 종(seed) 실리콘 입자를 혼합하기 위한 혼합기;
    상기 혼합기와 연결되어 있으며, 상기 혼합기로부터 제공받은 실란가스 및 종 실리콘 입자를 예열하기 위한 예열기;
    상기 예열기와 연결되어 있으며, 상기 예열기로부터 제공받은 실란가스의 열분해를 통해 상기 종 실리콘 입자의 표면에 실리콘 입자를 석출시키기 위한 반응기;
    상기 반응기 내의 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해시키기 위한 레이저 조사장치; 및
    상기 반응기와 연결되어 있으며, 상기 반응기에서 얻어진 실리콘 입자를 선별하여 배출하는 선별기를 포함하여 이루어진, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 선별기 및 혼합기와 각각 연결되는 가스정제기를 추가로 포함하여, 상기 선별기에서 이동된 실란가스를 정제시켜 상기 혼합기로 제공함으로써 실란가스를 순환재활용하는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 반응기는 레이저 빔이 투과할 수 있는 물질로 구성되며 상기 석출반응이 그 내부에서 이루어지는 튜브, 및 레이저 빔이 투과되는 윈도우를 구비하며 상기 튜브를 둘러싸는 외벽을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
  15. 제8항 또는 제12항에 있어서,
    상기 레이저 조사장치는 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부, 상기 조사된 레이저의 빔의 균일도를 향상시키기 위한 광학계, 및 조사된 레이저 빔을 수신하는 레이저 파워 수신부로 이루어지고, 이때, 상기 레이저 조사부 및 광학계는 상기 반응기의 일측 외부에 위치하고, 상기 레이저 파워 수신부는 상기 반응기의 타측 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는, 레이저 여기 화학기상 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
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