KR100945748B1 - 폴리실리콘의 제조장치 - Google Patents

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polysilicon
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박두진
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Abstract

본 발명은 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 위한 레이저 조사부; 및 상기 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳을 형성하기 위한 잉곳 형성부를 포함하여 이루어진 폴리실리콘의 제조장치에 관한 것으로서,
본 발명은 실란 가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 때문에 단기간에 폴리실리콘을 얻을 수 있는 장점이 있고, 또한 결정 씨드 없이 직접 폴리실리콘입자를 석출시키고 석출된 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳을 제조하기 때문에 별도로 결정 씨드를 제조할 필요가 없는 장점이 있다.
폴리실리콘, 레이저

Description

폴리실리콘의 제조장치{Apparatus of manufacturing polysilicon}
본 발명은 폴리실리콘(polysilicon)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 레이저를 이용하여 폴리실리콘를 제조하는 장치에 관한 것이다.
폴리실리콘은 결정구조가 다결정 상태이면서 순도가 매우 높아 현재 반도체소자, 태양전지 등 상업적으로 널리 이용되고 있다.
일반적인 폴리실리콘의 제조방법을 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) 표면에 석출되어 다결정의 폴리실리콘이 얻어지는 것이다.
이와 같이 실란가스를 이용하여 고체상태의 폴리실리콘을 제조하는 종래의 방법을 도면을 참조로 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 폴리실리콘 제조장치의 개략도로서, 이는 종형 반응기(Bell-Jar Reactor)(10)를 이용하여 실란가스로부터 폴리실리콘을 제조하는 장치에 관한 것이다. 도 1에 따른 장치를 이용하여 폴리실리콘을 제조하는 종래의 방법은 하기와 같다.
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 반 응가스를 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.
그러나 이와 같은 종래의 방법은 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 폴리실리콘을 제조할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 위한 레이저 조사부; 및 상기 폴리실리콘입자를 수용하기 위한 폴리실리콘입자 수용부를 포함하여 이루어진 폴리실리콘의 제조장치를 제공한다.
이때, 상기 레이저 조사부는 레이저 빔이 상기 반응 챔버의 일측에서 타측으로 진행함으로써 상기 가스 공급부와 상기 폴리실리콘입자 수용부 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치될 수 있다.
상기 폴리실리콘입자 수용부는, 상기 반응챔버에서 생성되는 폴리실리콘입자가 진입할 수 있도록 개방된 입구를 통해 상기 반응챔버와 연통되며, 상기 반응챔버로부터 분리가능하도록 구성된 용기, 및 상기 용기가 상기 반응챔버로부터 분리된 후 상기 용기의 개방된 입구를 밀봉할 때 상기 용기 내부로 산소가 들어가는 것을 차단하기 위해 상기 용기를 둘러싸면서 상기 반응챔버에 연결된 보조 챔버를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 위한 레이저 조사부; 및 상기 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳을 형성하기 위한 잉곳 형성부를 포함하여 이루어진 폴리실리콘의 제조장치를 제공한다.
이때, 상기 레이저 조사부는 레이저 빔이 상기 반응 챔버의 일측에서 타측으로 진행함으로써 상기 가스 공급부와 상기 잉곳 형성부 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치될 수 있다. 또한, 상기 잉곳 형성부는 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자가 용융되는 용융로 및 상기 용융로를 가열하기 위한 가열부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스가 상기 반응 챔버의 측면과 접촉하는 것을 차단하기 위해서 상기 반응 챔버에 에어 커튼 형성부가 추가로 형성될 수 있다.
상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저 빔이 상기 반응 챔버 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응 챔버의 소정 영역에는 윈도우가 형성될 수 있다.
상기 레이저 조사부는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진부, 상기 발진된 레이저의 빔의 균일도를 향상시키기 위한 광학계, 및 레이저 빔을 수신하는 레이저 파워 수신부로 이루어지고, 이때, 상기 레이저 발진부 및 광학계는 상기 반응 챔버의 일측 외부에 위치하고, 상기 레이저 파워 수신부는 상기 반응 챔버의 타측 외부에 위치할 수 있다.
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상기 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 실란 가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 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 폴리실리콘입자를 석출시킴으로써, 전기저항가열만을 이용하여 실란가스를 분해하도록 한 종래의 방법에 비하여 실리콘 입자의 석출시간이 단축된다.
특히, 레이저 빔을 반응 챔버의 일측에서 타측으로 진행하도록 조사함으로써 가스 공급부에서 반응 챔버 내부로 넓게 공급되는 실란가스와 레이저 빔의 접촉면적이 증대되어 대량의 실란가스가 짧은 시간에 열분해되는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 종래와 같이 결정 씨드(seed) 표면에 폴리실리콘을 석출시 키는 것이 아니라 결정 씨드 없이 직접 폴리실리콘입자를 석출시키고, 석출된 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳을 제조하기 때문에, 별도로 결정 씨드를 제조할 필요가 없는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 개략도이다.
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치(1)는, 반응 챔버(100), 가스 공급부(200), 레이저 조사부(300), 및 폴리실리콘입자 수용부(400)를 포함하여 이루어진다.
상기 반응 챔버(100)는 실란가스가 열분해되면서 폴리실리콘 입자가 석출되는 반응 공간이다. 도시하지는 않았지만, 상기 반응 챔버(100) 내부를 진공으로 유지하기 위해서 진공펌프가 상기 반응 챔버(100)에 연결될 수 있고, 반응가스를 배기시키기 위한 배기구가 상기 반응 챔버(100)에 연결될 수 있다.
상기 가스 공급부(200)은 상기 반응 챔버(100) 내에 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스를 공급하기 위한 것으로서, 상기 반응 챔버(100)의 상측에 형성된다. 상기 가스 공급부(200)는 상기 반응 챔버(100) 내부에 위치하는 가스공급노즐(230) 및 상기 가스공급노즐(230)과 연통되며 상기 반응 챔버(100)의 외부까지 연장되는 가스공급배관(260)을 포함하여 이루어지고, 도시하지는 않았지만, 상기 가스공급배관(260)의 말단에는 실란가스를 수용하고 있는 가스공급탱크가 연 결된다.
상기 가스공급탱크에 수용하고 있는 실란가스는 상기 가스공급배관(260)을 통해 상기 가스공급노즐(230)로 이동한 후 상기 가스공급노즐(230)에서 상기 반응 챔버(100) 내로 공급된다. 공급되는 실란가스는 상기 반응 챔버(100)의 상측에서 하측으로 이동하는데, 이때 실란가스가 반응 챔버(100)의 측면과 접촉하는 것을 차단하기 위해서, 상기 반응 챔버(100)에는 에어 커튼 형성부(150)가 추가로 구성된다. 즉, 에어 커튼 형성부(150)에서는 아르곤(Ar)과 같은 가스를 상기 반응 챔버(100)의 상측면에서 하측면으로 분사하여 에어 커튼(air curtain)을 형성함으로써, 실란가스가 반응 챔버(100)의 측면과 접촉하는 것을 차단한다.
상기 레이저 조사부(300)는 상기 가스 공급부(200)에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘 입자를 석출하기 위한 것이다. 상기 레이저 조사부(300)에서 조사되는 레이저 빔은 상기 반응 챔버(100)의 일측에서 타측으로 진행함으로써 대량의 실란가스를 짧은 시간에 열분해하게 된다. 즉, 상기 반응 챔버(100)의 일측에서 타측으로 진행하는 레이저 빔은 상기 가스 공급부(200)와 상기 폴리실리콘입자 수용부(400) 사이 영역으로 조사됨으로써 실란가스를 열분해하게 되는데, 상기 가스 공급부(200)에서 공급되는 실란가스는 반응 챔버(100)의 상부에서 넓게 공급되어 하부로 이동하므로, 상기 가스 공급부(200)와 상기 폴리실리콘입자 수용부(400) 사이 영역으로 레이저 빔이 조사될 경우 레이저 빔과 실란가스의 접촉면적이 증대되어 대량의 실란가스가 짧은 시간에 열분해되는 이점이 있다.
상기 레이저 조사부(300)는 CO2 레이저와 같은 적외선 레이저 조사장치로 이루어질 수 있으며, 레이저 발진부(320), 광학계(340), 및 레이저 파워 수신부(360)를 포함하여 구성된다. 상기 레이저 발진부(320)는 레이저 빔을 발진하기 위한 것이고, 상기 광학계(340)는 발진된 레이저 빔의 균일도를 향상시키기 위한 것이고, 상기 레이저 파워 수신부(360)는 레이저 빔을 수신하는 것으로서, 상기 레이저 발진부(320) 및 광학계(340)는 상기 반응 챔버(100)의 일측 외부에 위치하고, 상기 레이저 파워 수신부(360)는 상기 반응 챔버(100)의 타측 외부에 위치한다.
이와 같이 상기 레이저 조사부(300)는 상기 반응 챔버(100)의 외부에 설치되기 때문에, 조사되는 레이저 빔이 상기 반응 챔버(100) 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응 챔버(100)의 소정 영역에는 윈도우(180)가 형성된다. 상기 윈도우(180)는 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성물질을 이용하여 형성한다. 다만, 상기 반응 챔버(100) 전체를 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성물질을 이용하여 형성할 수도 있다.
상기 폴리실리콘입자 수용부(400)는 상기 실란가스가 열분해되어 석출된 폴리실리콘입자를 수용하기 위한 것으로서, 상기 반응 챔버(100)의 하측에 형성되어 자유낙하하는 폴리실리콘입자를 수용하게 된다.
상기 폴리실리콘입자 수용부(400)는 용기(410) 및 보조 챔버(430)로 이루어질 수 있다. 상기 용기(410)는 개방된 입구(410a)를 통해 상기 반응챔버(100)와 연통되며, 따라서, 상기 반응챔버(100)에서 생성되는 폴리실리콘입자는 상기 개방된 입구(401a)를 통해 상기 용기(410) 내부로 진입하게 된다. 이와 같이 얻어진 폴리 실리콘 입자는 별도의 용융로에서 용융시켜 잉곳 형태로 제조할 수 있으며, 이를 위해서 상기 폴리실리콘입자를 수용하고 있는 용기(410)를 별도의 용융로로 이동시킬 필요가 있다. 따라서, 상기 용기(410)는 상기 반응챔버(100)로부터 분리가능하도록 구성된다. 또한, 상기 용기(410)를 별도의 용융로로 이동할 경우 상기 용기(410) 내부로 산소가 들어가게 되면, 상기 용기(410) 내에 수용된 폴리실리콘입자가 산화되는 문제가 발생하므로, 상기 용기(410)를 상기 반응챔버(100)로부터 분리한 후에는 상기 용기(410)의 개방된 입구(410a)를 밀봉하는 공정이 요구된다. 더하여, 상기 용기(410)의 개방된 입구(410a)를 밀봉할 때에도 상기 용기(410) 내에 산소가 들어가지 않는 분위기에서 수행해야 하므로, 상기 용기(410)를 둘러싸도록 상기 보조 챔버(430)가 형성된다. 상기 보조챔버(430)는 상기 용기(410)를 둘러싸면서 상기 반응챔버(100)에 연결되어 있어, 상기 용기(410)가 상기 반응챔버(100)로부터 분리된 후, 상기 용기(410)는 상기 보조 챔버(430) 내에서 개방된 입구(410a)에 대한 밀봉공정이 수행될 수 있게 되어, 상기 용기(410) 내에 산소가 들어가는 것이 차단될 수 있다.
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도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 개략도이다.
도 3에 따른 제조장치는 폴리실리콘입자 수용부(400) 대신에 잉곳 형성 부(500)를 구성한 것을 제외하고 전술한 도 2에 따른 제조장치와 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였고, 동일한 구성에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치는, 반응 챔버(100), 가스 공급부(200), 레이저 조사부(300), 및 잉곳 형성부(500)를 포함하여 이루어진다.
상기 잉곳 형성부(500)는 상기 반응 챔버(100)의 하측에 형성되어 자유낙하하는 폴리실리콘입자를 수용함과 더불어 수용한 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳(ingot)을 형성하기 위한 것이다.
상기 잉곳 형성부(500)는 용융로(510) 및 가열부(530)를 포함하여 이루어진다. 상기 용융로(510)는 자유낙하하는 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자가 용융되는 공간이고, 상기 가열부(530)는 상기 용융로(510)를 가열하기 위한 것으로서 열선히터로 이루어질 수 있다. 상기 가열부(530)의 둘레는 절연체(550)로 둘러싸여 구성될 수 있다. 한편, 상기 잉곳 형태의 폴리실리콘입자를 반출하기 위해서, 상기 잉곳 형성부(500)를 상기 반응 챔버(100)로부터 분리가능하도록 구성할 수 있다.
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도 1은 종래의 폴리실리콘 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리실리콘의 제조장치의 개략도이다.
<도면의 주요부의 도면부호에 대한 설명>
100: 반응 챔버 200: 가스 공급부
300: 레이저 조사부 400: 폴리실리콘입자 수용부
500: 잉곳 형성부

Claims (15)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 위한 레이저 조사부; 및
    상기 폴리실리콘입자를 수용하기 위한 폴리실리콘입자 수용부를 포함하여 이루어진 폴리실리콘의 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 레이저 빔이 상기 반응 챔버의 일측에서 타측으로 진행함으로써 상기 가스 공급부와 상기 폴리실리콘입자 수용부 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폴리실리콘입자 수용부는, 상기 반응챔버에서 생성되는 폴리실리콘입자가 진입할 수 있도록 개방된 입구를 통해 상기 반응챔버와 연통되며, 상기 반응챔버로부터 분리가능하도록 구성된 용기, 및 상기 용기가 상기 반응챔버로부터 분리된 후 상기 용기의 개방된 입구를 밀봉할 때 상기 용기 내부로 산소가 들어가는 것을 차단하기 위해 상기 용기를 둘러싸면서 상기 반응챔버에 연결된 보조 챔버를 포 함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  4. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버 내에 실란가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해하여 폴리실리콘입자를 형성시키기 위한 레이저 조사부; 및
    상기 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자를 용융시켜 잉곳을 형성하기 위한 잉곳 형성부를 포함하여 이루어진 폴리실리콘의 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 레이저 빔이 상기 반응 챔버의 일측에서 타측으로 진행함으로써 상기 가스 공급부와 상기 잉곳 형성부 사이 영역으로 조사될 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 잉곳 형성부는 폴리실리콘입자를 수용하고 수용한 폴리실리콘입자가 용융되는 용융로 및 상기 용융로를 가열하기 위한 가열부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 가스 공급부에서 공급되는 실란가스가 상기 반응 챔버의 측면과 접촉하는 것을 차단하기 위해서 상기 반응 챔버에 에어 커튼 형성부가 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 레이저 조사부에서 조사되는 레이저 빔이 상기 반응 챔버 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응 챔버의 소정 영역에는 윈도우가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
  9. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는 레이저 빔을 발진하는 레이저 발진부, 상기 발진된 레이저의 빔의 균일도를 향상시키기 위한 광학계, 및 레이저 빔을 수신하는 레이저 파워 수신부로 이루어지고, 이때, 상기 레이저 발진부 및 광학계는 상기 반응 챔버의 일측 외부에 위치하고, 상기 레이저 파워 수신부는 상기 반응 챔버의 타측 외부에 위치하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘의 제조장치.
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