KR101033163B1 - 폴리실리콘 증착장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리실리콘 증착장치에 관한 것으로, 반응기 내부에 설치되며, 소정 거리만큼 이격되게 설치되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부와, 전극부의 제 1 전극으로부터 전류를 입력받아 전극부의 제2 전극으로 전류를 통전시키면서 자체 발열하는 실리콘 코어 로드와, 실리콘 코어 로드로 반응가스를 공급하기 위해 반응기 바닥에 형성되는 제1, 제2 가스 분사노즐군과, 제1, 제2 가스 분사노즐군에 연결된 반응가스 공급관을 통해 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와, 반응가스 공급부와 가스 분사노즐군 사이에 연결된 반응가스 공급관을 개폐시키는 밸브와, 실리콘 코어 로드에 증착되는 폴리실리콘의 두께에 따라 밸브의 개폐동작을 제어하는 밸브 제어기를 포함한다.

Description

폴리실리콘 증착장치{POLY SILICON DEPOSITION DEVICE}
본 발명은 반도체나 태양광 산업에서의 주원료로 사용되는 폴리실리콘을 제조하기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 코어 로드 표면에 반응가스를 보다 균일하게 분사시켜 폴리실리콘 증착효율을 높일 수 있는 폴리 실리콘 증착장치에 관한 것이다.
반도체나 태양광 산업에서 주원료로 사용되는 다결정 실리콘(폴리실리콘이라고도 함.)은 쿼츠나 모래 등을 카본과 환원반응시켜 금속급 실리콘을 만든 후, 금속급 실리콘은 다시 추가적인 정제과정을 거쳐 태양전지 기판의 원료(SoG-Si)로 사용되고, 11N 이상의 폴리 실리콘은 반도체 웨이퍼 제조용 단결정 원료(EG-Si)로 사용된다. 폴리 실리콘 제조 산업은 반도체, 태양광 발전 외에도 정밀화학/소재, 광통신, 유기실리콘 등의 산업들과 직접 연관된다.
금속급 폴리 실리콘의 정제 방법으로는 크게 종형 반응기(BELL-JAR TYPE REACTOR)를 사용하는 지멘스(Siemens)법과, 유동층(Fluidized bed)법, VLD(Vapor-to-Liquid Deposition) 방식과 금속급 실리콘을 직접 정제하는 방법 등이 있다.
이중에서 가장 일반적으로 많이 사용되고 있는 방법이 지멘스(Siemens)법이다. 이 방법은 수소와 혼합된 반응가스, 예컨대 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)을 열분해하여 실리콘 코어 로드에 증착시켜 다결정 실리콘을 제조하는 것이다. 이 방법은 실리콘 코어 로드에 전기를 통하게 하여 그 저항열에 따라 실리콘 코어 로드 전체를 발열시키는데, 실리콘은 상온에서 전기 저항이 매우 크기 때문에 통전이 어렵다. 그러나 실리콘 코어로드는 예열장치를 통해 예컨대 약 1000℃까지 가열하게 되면 전기 저항이 대폭적으로 낮아지기 때문에 전기가 잘 통전된다. 반응가스인 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)은 복수의 가스 노즐을 이용하여 발열된 실리콘 코어 로드 표면에 직접 분사되었다.
그런데, 복수의 노즐에서 분사되는 반응가스는 실리콘 코어 로드 전체면에서 골고루 분해되지 않아 폴리실리콘이 균일하게 증착되지 않는 문제점이 있었다. 복수개의 노즐을 방향 조절하더라도 공급되는 반응가스 간에 상호 간섭현상이 발생하여 균일한 폴리실리콘 증착이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 반응가스를 실리콘 코어 로드 전체면으로 골고루 흐르도록 하여 균일한 폴리실리콘이 증착될 수 있는 폴리실리콘 증착장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응가스를 실리콘 코어 로드에 증착되는 폴리실리콘의 증착 두께에 따라 순차적으로 공급하여 증착 효율을 높일 수 있는 폴리실리콘 증착장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 폴리실리콘 증착장치는, 반응기 내부에 설치되며, 소정 거리만큼 이격되게 설치되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부와, 전극부의 제 1 전극으로부터 전류를 입력받아 전극부의 제2 전극으로 전류를 통전시키면서 자체 발열하는 실리콘 코어 로드와, 실리콘 코어 로드로 반응가스를 공급하기 위해 반응기 바닥에 형성되는 제1, 제2 가스 분사노즐군과, 제1, 제2 가스 분사노즐군에 연결된 반응가스 공급관을 통해 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와, 반응가스 공급부와 가스 분사노즐군 사이에 연결된 반응가스 공급관을 개폐시키는 밸브와, 실리콘 코어 로드에 증착되는 폴리실리콘의 두께에 따라 밸브의 개폐동작을 제어하는 밸브 제어기를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따른 폴리실리콘 증착장치는, 반응기의 내부를 외부에서 확인할 수 있도록 해주는 투시창과, 투시창을 통해 실리콘 코어 로드의 표면 영상을 촬영하는 영상 촬영부를 더 포함한다. 이 같은 양상에 따라, 밸브 제어기는, 영상 촬영부로부터 입력되는 영상을 분석하여 실리콘 코어 로드 표면에 증착되는 폴리실리콘의 증착 두께를 측정하는 두께 측정부와, 두께 측정부에서 측정한 증착 두께가 미리 설정된 두께가 되면, 제1 가스 분사노즐군을 통한 반응가스 투입을 차단하고 제2 가스 분사노즐군을 통해 반응가스를 투입하도록 하는 밸브 제어신호를 밸브로 출력하는 밸브 제어부를 포함한다.
상기한 구성에 따르면, 본 발명의 폴리실리콘 증착장치는 반응기 바닥에 형성되는 제1, 제2 가스 분사노즐군으로부터 반응가스가 실리콘 코어 로드를 향하여 흐르도록 구현됨으로써, 실리콘 코어 로드 전체면으로 반응가스가 골고루 흐르도록 하여 고순도의 폴리 실리콘을 증착할 수 있는 유용한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 폴리실리콘 증착장치는 실리콘 코어 로드에 증착되는 폴리실리콘의 증착 두께에 따라 제1, 제2 가스 분사노즐군으로부터 반응가스를 순차적으로 공급하도록 구현됨으로써, 증착 효율을 높일 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치를 설명하기 위한 예시도,
도 2 는 도1에 따른 폴리 실리콘 증착장치의 AA 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치를 설명하기 위한 예시도이고, 도 2 는 도 1에 따른 폴리 실리콘 증착장치의 AA 단면도이다.
먼저, 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치(100)는 반응가스가 투입되는 제1, 제2 가스 분사노즐군(111a, 111b) 및 외부로 가스를 배출하는 가스 배출구(112)가 형성되는 반응기(110)와, 폴리 실리콘 증착부(120)를 포함한다. 본 명세서에서 반응가스는 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)이며, 반응가스는 수소와 같은 캐리어 가스와 혼합되어 공급된다.
반응기(110)는 내부에 제1 냉각로드(113a)가 설치된 바닥 냉각체(113)와, 바닥 냉각체(113)의 일 단에 제1, 제2 실리콘 코어 로드(122a, 122b)와 평행한 방향으로 설치되며 내부에 제2 냉각로드(114a)가 형성된 하부 냉각체(114)와, 하부 냉각체(114)의 상부면에 설치되며 내부에 제3 냉각로드(115a)가 형성되는 상부 냉각체(115)와, 상부 냉각체(116) 상부에 설치되며 내부에 제4 냉각로드(116a)가 형성된 돔 냉각체(116)를 포함한다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 반응기(110)는 제1 내지 제 4 냉각로드(113a∼116a) 각각에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급장치를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 냉각수 공급장치는 반응가스가 반응기(110) 내부로 공급되는 시점부터 하부 냉각체(114)의 제2냉각로드(114a)에 가장 낮은 온도를 갖는 냉각수를 공급한다.
대부분의 공급된 반응가스는 열분해에 되어 실리콘 코어 로드(112a, 112b)에 증착되지만, 일부 실리콘 분말은 실리콘 코어 로드(112a, 112b)에 증착되지 않고 반응기(110) 내부에 증착되기도 한다. 실리콘 분말의 증착 반응은 온도가 낮은 곳일수록 용이하게 일어나므로, 하부 냉각체(114)의 온도를 가장 낮게 제어하여 하부 냉각체(114)에 실리콘 분말을 증착하도록 유도한다. 돔 냉각체(116)나 상부 냉각체(115)에 실리콘 분말이 많이 증착될 경우, 실리콘 로드(210)의 품질에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다.
일 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치(100)는 반응기(110)의 내부를 외부에서 확인할 수 있도록 해주는 투시창(117)을 더 포함한다. 투시창(117)은 증착되는 실리콘 로드의 직경을 측정하기 위한 것으로, 일례로 상부 냉각체(115)에 설치될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치(100)는 가스 배출구(112)를 통해 배출되는 가스의 양을 조절하여, 반응기(110) 내부의 가스 압력을 조절하는 압력 조절부(118)를 더 포함한다. 압력 조절부(118)는 압력 검출부와, 밸브와, 제어기를 포함하여 구현될 수 있다. 압력 검출부는 반응기(110) 내부의 가스 압력을 검출하는 것으로, 압력을 받아서 발생한 왜곡을 전기 신호로 변환하여 출력하는 압력검출장치로 구현될 수 있다. 밸브는 가스 배출구(112)를 통해 배출되는 가스의 양을 조절하는데 사용된다. 제어기는 압력 검출부로부터 입력되는 전기신호에 따라 밸브의 동작을 제어한다. 제어기는 반응기(110) 내의 가스 압력을 1kgf/㎠ 이상, 10kgf/㎠ 이하로 유지한다. 여기서, 압력 조절은 ±0.05kgf/㎠ 단위로 이루어져야 하며, 압력이 미세하게 조절되지 않을 경우, 실리콘 코어 로드부(124, 125, 126)에 흐르는 전류 및 가스의 양에 변동이 발생한다.
폴리실리콘 증착부(120)는 반응기(110)의 내부공간에 설치되며 제1, 제2 가스 분사노즐군(111a, 111b)을 통해 공급되는 반응가스를 열분해하여 폴리실리콘을 증착하는 역할을 한다. 폴리실리콘 증착부(120)는 일 실시예에 있어서, 전극부(121a, 121b)와, 실리콘 코어 로드(121a, 121b, 121c)와, 실리콘 코어 로드 가열부(123)와, 반응가스 공급부(124)와, 반응가스 공급관(125a, 125b), 밸브(126a, 126b), 밸브 제어기(127), 발열물질 공급부(128)를 포함한다.
전극부(121a, 121b)는 실리콘 코어 로드(122)로 전류를 공급하기 위한 것으로, 반응기(110)의 바닥에 설치되며 소정 거리만큼 이격되게 설치되는 제1 전극(121a)과 제2 전극(121b)을 포함한다. 여기서, 제1 전극(121a)과 제2 전극(121b)은 그라파이트(graphite) 재질의 전극으로 구현될 수 있다. 또한, 제1 전극(121a)과 제2 전극(121b)은 반응기(110) 바닥과 절연되게 설치된다.
실리콘 코어 로드(121a, 121b, 121c)는 전극부(121)의 제1 전극(121a)으로부터 전류를 입력받아 전극부(121)의 제2 전극(121b)으로 전류를 통전시켜 자체 발열하면서, 반응가스에서 분해된 실리콘 분말을 증착시키는 역할을 한다. 실리콘 코어 로드(122)는 전극부(121)의 제1 전극(121a)과 연결되며 반응기(110)의 바닥과 수직한 방향으로 설치되는 제1 실리콘 코어 로드(122a)와, 전극부(121)의 제2 전극(121b)과 연결되며 반응기(110)의 바닥과 수직한 방향으로 설치되는 제2 실리콘 코어 로드(122b)와, 제1 실리콘 코어 로드(122a) 및 제2 실리콘 코어 로드(122b)를 연결하는 제3 실리콘 코어 로드(122c)를 포함한다.
실리콘 코어 로드 가열부(123)는 실리콘 코어 로드(121a, 121b, 121c)에 전류를 입력하기 전에 실리콘 코어 로드(121a, 121b, 121c)를 가열하는 역할을 한다. 실리콘 코어 로드 가열부(123)는 제1 실리콘 코어 로드(122a)로부터 소정 간격만큼 떨어져 제1 실리콘 코어 로드(122a)를 둘러싸며 내부에 발열수단(123a)이 설치되는 발열체(123b)와, 제2 실리콘 코어 로드(122b)로부터 소정 간격만큼 떨어져 제2 실리콘 코어 로드(122b)를 둘러싸며 내부에 발열수단(참조번호 도시하지 않음)이 설치되는 제2 발열체(참조번호 도시하지 않음)를 포함한다.
발열수단(123a)은 SiC(탄화규소), MoSi2(규화몰리브덴), 그라파이트 등 세라믹 히터 또는 Fe-Cr(철-크롬)계, Ni-Cr(니켈-크롬)계, Fe-Cr-Al(철-크롬-알루미늄)계 금속 히터 또는 오일 히터로 구현될 수 있다.
일실시예에 있어서, 발열체(123b)의 내부에 형성되는 발열수단(123a)은 제1 발열체(123b)의 높이 방향으로 설치되는 다수개의 히터를 포함하되, 다수개의 히터는 제1 발열체(123b)의 둘레에 일정한 간격, 예컨대 60도 간격으로 6개의 히터가 설치될 수 있고, 90도 간격으로 4개의 히터가 설치될 수 있다.
반응가스 공급부(124)는 가스 분사노즐군(111a, 111b) 에 연결된 반응가스 공급관(125a, 125b)을 통해 반응가스를 공급한다. 반응가스는 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)이며, 반응가스는 수소와 같은 캐리어 가스와 혼합되어 공급된다. 밸브(126a, 126b)는 반응가스 공급부(124)와 제1, 제2 가스 분사노즐군(111a, 111b) 사이에 연결된 반응가스 공급관(125a, 125b)을 개폐시킨다.
밸브 제어기(127)는 실리콘 코어 로드(121a, 121b)에 증착되는 폴리실리콘의 두께에 따라 밸브(126a, 126b)의 개폐동작을 제어한다. 일례로, 밸브 제어기(127)는 제조공정 초기에 제1 가스 분사노즐군(111a)을 통해 반응가스를 투입하여 실리콘 코어 로드(121a, 121b)의 표면에 폴리실리콘이 증착되도록 하고, 일정한 시간이 경과되면 제1 가스 분사노즐군(111a)을 통한 반응가스 투입을 차단하고, 제2 가스 분사노즐군(111b)을 통해 반응가스를 투입하도록 구현될 수 있다.
일례로, 밸브 제어기(127)는 투시창(117)을 통해 실리콘 코어 로드(121a, 121b)의 표면 영상을 촬영하는 영상 촬영부(도시하지 않음)로부터 입력되는 영상을 통해 실리콘 코어 로드(121a, 121b)의 표면에 증착되는 폴리실리콘의 증착 두께를 측정하는 두께 측정부와, 두께 측정부에서 측정한 증착 두께가 미리 설정된 두께가 되면, 제1 가스 분사노즐군(111a)을 통한 반응가스 투입을 차단하고 제2 가스 분사노즐군(111b)을 통해 반응가스를 투입하도록 하는 밸브 제어신호를 밸브(126a, 126b)로 출력하는 밸브 제어부를 포함하여 구현될 수 있다. 일례로, 영상 촬영부는 CCD 카메라로 구현될 수 있다.
발열물질 공급부(128)는 발열수단(123a)에 발열물질을 공급하는 장치이다. 일례로, 발열물질이 가열된 오일 또는 가스인 경우, 발열물질 공급부(128)는 가열된 오일 또는 가스를 공급한다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
100: 폴리 실리콘 증착 장치
110: 반응기
111a: 제1 가스 분사노즐군 111b: 제2 가스 분사노즐군
112: 가스 배출구
113: 바닥 냉각체 113a: 제1 냉각로드
114: 하부 냉각체 114a: 제2 냉각로드
115: 상부 냉각체 115a: 제3 냉각로드
116: 돔 냉각체 116a: 제4 냉각로드
117: 투시창
118: 압력 조절부
121a: 제1 전극 121b: 제2 전극
122a: 제1 실리콘 코어 로드 122b: 제2 실리콘 코어 로드
122c: 제3 실리콘 코어 로드
123: 실리콘 코어 로드 가열부
123a: 발열수단 123b: 발열체
124: 반응가스 공급부
125a, 125b: 반응가스 공급관
126a, 126b: 밸브
127: 밸브 제어기
128: 발열물질 공급부

Claims (4)

  1. 반응기;
    상기 반응기 내부에 설치되며, 소정 거리만큼 이격되게 설치되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 전극부;
    상기 반응기 내부에 설치되고, 상기 전극부와 전기적으로 연결되며, 상기 전극부의 제 1 전극으로부터 전류를 입력받아 상기 전극부의 제2 전극으로 전류를 통전시키면서 자체 발열하는 실리콘 코어 로드;
    상기 반응기 바닥에 형성되되, 상기 실리콘 코어 로드의 둘레를 따라 이격 형성되며, 상기 반응기 내부의 상부 방향으로 분사 가능하게 설치되는 제1, 제2 가스 분사노즐군;
    상기 제1, 제2 가스 분사노즐군 각각에 연결된 반응가스 공급관을 통해 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;
    상기 반응가스 공급부와 상기 제1 가스 분사노즐군 및 상기 반응가스 공급부와 상기 제2 가스 분사노즐군 사이에 각각 연결된 상기 반응가스 공급관 각각에 설치되고, 각각의 상기 반응가스 공급관을 개폐시키는 밸브; 및
    상기 실리콘 코어 로드에 증착되는 폴리실리콘의 두께에 따라 상기 밸브의 개폐동작을 제어하는 밸브 제어기;
    를 포함하되,
    상기 밸브 제어기는,
    촬영된 상기 실리콘 코어 로드의 표면 영상을 분석하여 상기 실리콘 코어 로드 표면에 증착되는 폴리실리콘의 증착 두께를 측정하는 두께 측정부, 및
    상기 두께 측정부에서 측정한 증착 두께가 미리 설정된 두께가 되면, 상기 제1 가스 분사노즐군을 통한 반응가스 투입을 차단하고, 상기 제2 가스 분사노즐군을 통해 반응가스를 투입하도록 하는 밸브 제어신호를 상기 밸브로 출력하는 밸브 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 증착장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 내부를 외부에서 확인할 수 있도록 해주는 투시창; 및
    상기 투시창을 통해 상기 실리콘 코어 로드의 표면 영상을 촬영하고, 촬영된 영상을 상기 두께 측정부로 전송하는 영상 촬영부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 증착장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 폴리실리콘 증착장치가:
    상기 제1, 제2 가스 분사노즐군을 둘러싸며 내부에 발열수단이 설치되는 발열체를 포함하는 실리콘 코어 로드 가열부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 증착장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 발열체의 발열수단이,
    세라믹 히터, 오일 히터, 금속 히터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 증착장치.
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KR20080005953A (ko) * 2005-04-10 2008-01-15 알이씨 실리콘 인코포레이티드 다결정 실리콘의 제조 방법
KR100892123B1 (ko) * 2008-12-31 2009-04-09 (주)세미머티리얼즈 폴리 실리콘 증착장치

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