KR101145642B1

KR101145642B1 - 실리콘 생산장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101145642B1
Application number: KR1020090118386A
Authority: KR
Inventors: 최현태
Original assignee: 주식회사 신우 엠에스티
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2012-05-24
Also published as: KR20110061857A

Abstract

본 발명은 실리콘 웨이퍼의 원료가 되는 실리콘의 대량 양산에 적합하고, 단순한 방식으로 종자용 실리콘 막대기를 가열할 수 있으며 또한 생산하는 실리콘을 오염시키지 않는 실리콘 생산장치 및 그 방법에 관한 것으로서,

반응용기와, 반응용기 바닥에 설치되어 종자용 실리콘 막대기가 재치되는 한편 실리콘 막대기에 전원을 공급하는 전극부와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제1스위치수단을 통해 상기 전극부에 고압고주파 전원을 공급하는 고압고주파 전원장치와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제2스위치수단을 통해 상기 전극부에 교류전압을 제공하는 트랜스포머와, 상기 반응용기 외부 근처에 설치되어 가열되는 실리콘 막대의 온도를 검출하는 적외선 온도계와, 상기 적외선 온도계가 측정하는 온도에 따라서 트랜스포머의 출력을 조절하는 전력조절기와, 상기 적외선 온도계가 측정한 온도값을 기초로 제1스위치수단과 제2스위치수단을 선택적으로 단속하는 스위칭수단로 이루어진다.

Description

실리콘 생산장치 및 그 방법{Apparatus for growing silicon and method for growing silicon by the same}

본 발명은 실리콘 생산장치와 실리콘 생산방법에 관한 것으로서, 특히 반도체용이나 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 원료가 되는 실리콘을 생성하기 위한 실리콘 생산장치와 그 방법에 관한 것이다.

현재 대부분의 전자제품에는 반도체로 이루어진 집적회로 칩이 사용되고 있는 중이다. 과학기술이 점점 더 발전하게 되면서 반도체로 이루어진 집적회로 칩의 사용이 늘어나고, 이에 따라서 집적회로 칩의 제조에 사용되는 반도체 웨이퍼의 사용도 늘어나게 된다.

한편, 지구상의 화석연료가 점점 고갈되어 가고, 또한 환경적인 오염으로 인해 화석연료를 대체하는 대안이 점차로 떠오르고 있다. 이와 같은, 대안으로는, 원자력발전, 조력발전, 풍력발전, 지열발전, 태양광발전 등이 있다. 원자력발전은 방사능이라는 치명적인 요소와 건설 및 유지가 까다롭다는 단점이 있고, 조력발전, 지열발전은 지역전인 요소에 의존하여 범용적으로 사용하지 못한다는 단점이 있고, 풍력발전은 설치 및 유지의 어려움과, 설치장소의 한정이라는 단점이 있다. 이에 반해, 반도체 기술이 점점 더 발전하면서 반도체의 태양광-전기에너지 변환효율이 점점 더 향상되고 또한 설치 장소가 자유롭고, 설치가 비교적 간단하다는 장점이 있어서 점차로 태양광발전에 초점이 맞추어지고 있고, 또한 전 세계적으로 태양광발전시스템의 설치가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 따라서 태양광발전을 태양전지판으로 사용되는 실리콘 반도체 웨이퍼의 수요가 증가하는 추세이다. 따라서, 반도체용이나 태양전지용 실리콘 웨이퍼의 원료로 사용되는 실리콘의 수요가 증가한다.

실리콘 웨이퍼의 원료인 실리콘을 생산하기 위해서는, 상압 이상의 압력 용기 내에 종자용 실리콘 막대기를 장착하고, 실리콘 막대기를 1000도에서 1300도 반응온도 영역까지 가열하면서 실란계열 가스와 수소를 혼합하여 압력 용기 내에 주입하면 실란계열 가스 중의 실리콘이 분해되어 종자용 실리콘 막대기에 증착이 되게 된다. 필요로 하는 양만큼 종자용 실리콘 막대기가 성장하면 이를 미세하게 갈아서 분말상태로 만들고, 이를 웨이퍼 제작장비에 투입하면 웨이퍼의 생산이 이루어지게 된다.

반도체인 실리콘에는 전류가 흐르기 때문에, 상기 반응온도까지 실리콘 막대기를 전기로 가열할 수 있지만, 실리콘 생산에 사용되는 종자용 실리콘의 저항은, 상온에서 부도체에 가깝기 때문에 초기에는 전류가 흐르지 않아 가열이 되지 않는다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존에는 두 가지 방식을 사용하여 초기에 실리콘 막대를 가열하게 된다.

도 1은 기존에 사용하는 실리콘 생성장치에서 종자용 실리콘 막대의 가열 방 식을 도시한 도면이다.

도 1에 도시되어 있듯이, 종자용 실리콘 막대기(1)를 상압 이상의 압력이 유지되고 또한 투명한 석영재료로 형성되는 반응용기(2) 내에 설치하고, 종자용 실리콘 막대기의 양단은 일반용 교류전원(3)에 연결한다. 또한, 반응용기 주변에는 적외선 히터(4)를 설치한다. 이와 같은 구성에서, 초기에는 적외선 히터를 가열하여 종자용 실리콘 막대를 가열한다. 그런 다음, 종자용 실리콘 막대가 지속적으로 가열되어 도체에 가까운 저항값을 가지게 되면, 일반용 교류전원(3)을 통해 전류를 공급하여 실리콘 막대기를 반응온도까지 가열하게 된다. 그러나, 이와 같은 방식은 연구용의 소형 고압용기에는 적용이 가능하지만, 양산용의 대용 용기에는 적용이 어렵다는 단점이 있다.

도 2는 기존에 사용하는 실리콘 생성장치에서 종자용 실리콘 막대의 다른 가열 방식을 도시한 도면이다.

도 2에 도시되어 있듯이, 도 1에 도시된 실리콘 생성장치와는 달리, 반응용기는 투명한 석영 용기 대신에 금속 용기(2')를 사용하고, 반응 용기 외부에 적외선 히터를 설치하지 않고 반응용기 내부에 저항 가열식 히터(H)를 설치한다. 이와 같은 구성에서, 먼저 히터용 교류전원(5)을 통해 히터(H)에 전류를 공급하여 종자용 실리콘 막대를 가열하고, 실리콘 막대가 지속적으로 가열되어 도체에 가까운 저항값을 가지게 되면 일반용 교류전원(3)을 통해 전원을 공급하여 실리콘 막대기를 반응온도까지 가열하게 된다. 이와 같은 방식은 양산용에는 적합하지만, 그러나 종자용 실리콘 막대기를 가열하는 저항 가열식 히터(H)가 오염원으로 작용하여 종자 용 실리콘 막대기에 성장하는 실리콘의 순수도를 저하시킬 수 있으며, 또한 히터가 소모품인 관계로 자주 교체하여 주어야 한다. 따라서 이와 같은 방식은 생산품질이나 단가에 악영향을 준다는 단점이 있다.

또한, 상기 선행기술에서 별도의 가열장치를 사용하기 때문에, 실리콘 막대를 상용 교류전압을 사용할 수 있는 온도까지 가열하기까지는 수 십분 내지 수 시간의 가열시간이 필요로 하게 된다.

그러므로, 대량 양산에 적합하고, 단순하며 또한 생산한 실리콘의 순도에 영향을 주지 않고, 짧은 시간 이내에 실리콘 막대를 가열할 수 있는 실리콘 생성장치가 제공된다면 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 실리콘 웨이퍼의 원료가 되는 실리콘의 대량 양산에 적합하고, 단순한 방식으로 종자용 실리콘 막대기를 가열할 수 있으며 또한 생산하는 실리콘을 오염시키지 않는 실리콘 생산장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 생산장치는 반응용기와, 반응용기 바닥에 설치되어 종자용 실리콘 막대기가 재치되는 한편 실리콘 막대기에 전원을 공급하는 전극부와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제1스위치수단을 통해 상기 전극부에 고압고주파 전원을 공급하는 고압고주파 전원장치와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되 고 또한 제2스위치수단을 통해 상기 전극부에 교류전압을 제공하는 트랜스포머와, 상기 반응용기 외부 근처에 설치되어 가열되는 실리콘 막대의 온도를 검출하는 적외선 온도계와, 상기 적외선 온도계가 측정하는 온도에 따라서 트랜스포머의 출력을 조절하는 전력조절기와, 상기 적외선 온도계가 측정한 온도값을 기초로 제1스위치수단과 제2스위치수단을 선택적으로 단속하는 스위칭수단로 이루어진다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 생산방법은, 반응용기 내의 전극부에 실리콘 막대를 설치하는 단계와, 상기 반응용기에 수소 또는 헬륨가스를 투입하여 상압 이상으로 유지하는 단계와; 제1스위치수단을 턴온하여 고압고주파 전원장치가 고압고주파 전원을 상기 실리콘 막대에 공급하는 단계와; 상기 실리콘 막대가 상용 교류전압이 통할 수 있는 온도로 가열되는 것을 적외선 온도계가 감지하면 스위칭수단이 상기 제1스위치수단을 턴오프하는 동시에 제2스위치수단을 턴온하여 트랜스포머가 실리콘 막대에 전원을 공급하는 단계와; 실리콘 막대가 실리콘 성장을 위한 반응온도로 가열되면 실란계열 가스와 수소가스 혼합물을 반응용기에 투입하는 단계와; 실리콘 막대가 반응온도 이내로 가열되도록 적외선 온도계가 실리콘 막대의 온도를 측정하여 전력조절기를 통해 트랜스포머로부터 출력되는 전원의 양을 조절하는 단계로 이루어진다.

본 발명에 따른 실리콘 생산장치와 그 방법에 따르면, 상압 이상의 반응용기 내에 별도의 히터가 장착되지 않기 때문에, 생성되는 실리콘에 가해질 수 있는 오염원을 줄일 수 있으며 부가적인 소모품이 필요하지 않기 때문에 생산비를 줄이는 효과가 있다.

또한, 선행기술에서처럼 별도의 가열장치를 이용하여 가열할 경우 수 십분 내지 수 시간의 가열시간이 필요하나 본 발명에서는 고압고주파 전원을 사용하여 실리콘 막대를 3분 이내에 사용 교류전압 사용 가능 온도인 600도까지 가열할 수 있는 전력비를 절감함과 동시에 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 생성장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

수 백 내지 수 만 볼트의 고압고주파 전압을 수 백 메가옴(㏁)의 저항을 가지는 물질의 표면에 인가하면, 상기 물질의 표면을 따라 수 밀리 내지 수 암페아(A)의 전류가 흐를 수 있다. 따라서 높은 저항을 가지는 물질은 표면을 따라 흐르는 전류에 의해 발열될 수 있다. 이와 같은 현상을 본 발명에서는 종자용 실리콘 막대에 적용한다. 또한, 본 발명에서는 수 분 이내에, 예컨대 3분 이내에 실리콘 막대를 600도까지 가열할 수 있다.

도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명에 따른 실리콘 생산장치(100)는 실리콘 생산반응이 이루어지는 반응용기(20)와, 반응용기 바닥에 설치되어 종자용 실리콘 막대(1)가 재치되는 한편 종자용 실리콘 막대(1)에 전원을 공급하는 전극부(21)와, 상기 전극부(21)에 전선(L)을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제1스위치수단(S1)을 통해 상기 전극부에 고압고주파 전원을 공급하여 상기 종자용 실리콘 막대에 고압 고주파 전원을 공급하는 고압고주파 전원장치(30)와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제2스위치수단(S2)을 통해 상기 전극부에 상용 교류전압을 공급하여 상기 종자용 실리콘 막대에 상용 교류전원을 공급하는 트랜스포머(40)와, 상기 반응용기 근처 외부에 설치되어 가열되는 종자용 실리콘 막대의 온도를 검출하는 적외선 온도계(50)와, 상기 적외선 온도계가 측정하는 온도에 따라서 트랜스포머의 출력을 제어하는 전력조절기(60)와, 상기 적외선 온도계에 연결되어 적외선 온도계가 측정하는 온도에 따라서 제1 및 제2스위치수단을 선택적으로 단속하는 스위칭장치(70)로 구성된다.

상기 반응용기(20)는 적외선 온도계(50)로 종자용 실리콘 막대(1)의 온도검출을 용이하게 하기 위하여 투명한 석영 재질로 구성된다.

상기 고압고주파 전원장치(30)가 공급하는 고압고주파 전원의 전압은 500볼트 내지 2만볼트이고, 그 주파수는 1㎑ 내지 1㎒ 이다.

일반적으로 수 백 메가옴(㏁)의 높은 저항을 가지는 종자용 실리콘 막대는 약 300 내지 600도 정도로 가열되면 일반 상용 교류전원을 인가하여 교류전원을 1000도 이상으로 가열할 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 먼저 고압고주파 전원장치(30)로 고압고주파 전원을 종자용 실리콘 막대에 인가하면 실리콘 막대의 표면을 따라 수 밀리 내지 수 암페아의 전류가 흘러 종자용 실리콘 막대를 가열한다. 실리콘 막대가 가열되면 실리콘 막대의 저항값이 점차 낮아지고, 약 300도 내지 600도 정도까지 가열되면 상용 교류전압이 흐를 수 있게 된다. 따라서, 실리콘 막대에 인가되는 고압고주파 전원을 차단하고 상용 교류전압을 인가하면 교류전압에 의해 종자용 실리콘 막대는 1000 내지 1300도까지 가열되게 된다. 그리고, 상용 교류전압으로 실리콘 막대가 가열되면, 적외선 온도계가 실리콘 막대의 온도를 지속적으로 측정하여, 만일 실리콘 막대의 온도가 1000도 미만으로 떨어지거나 1300도 이상의 상승하면 전력조절기(60)를 통해 트랜스포머(40)로부터 출력되는 전압을 조절하게 된다.

이하 본 발명에 따른 실리콘 생산장치를 이용하여 실리콘을 생산하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저 반응용기(20) 내의 전극부(21)에 실리콘 막대(1)를 설치한다(Se1).

그런 다음 반응용기 내에 수소 또는 헬륨가스를 주입하여 반응용기 내의 압력을 상압 이상으로 유지한다(Se2).

그런 다음, 제1스위치수단(S1)을 턴온하여 고압고주파 전원장치(30)로부터 고압고주파 전원이 상기 실리콘 막대에 공급되도록 한다(Se3).

그런 다음, 상기 실리콘 막대가 상용 교류전압이 통할 수 있는 온도, 즉 300 내지 600도로 가열되는 것을 적외선 온도계(50)가 감지하면 스위칭수단(70)이 상기 제1스위치수단(S1)을 턴오프하는 동시에 제2스위치수단(S2)을 턴온하여 트랜스포머(40)로부터 실리콘 막대로 상용 교류전압이 공급된다(Se4).

그런 다음, 상기 실리콘 막대가 상용 교류전압에 의해 실리콘 성장을 위한 반응온도, 즉 1000 내지 1300도로 가열되면 실란계열 가스와 수소가스 혼합물을 반응용기 투입하여 실리콘 막대에 실리콘의 증착이 이루어진다(Se5).

그런 다음, 상기 실리콘 막대가 상기 반응온도 이내로 가열되도록 적외선 온 도계가 실리콘 막대의 온도를 측정하여 전력조절기를 통해 트랜스포머로부터 출력되는 전원의 양을 조절하게 된다(Se6).

도 1은 선행기술에 따른 실리콘 생산장치의 개략적인 모습을 도시한 도면.

도 2는 다른 선행기술에 따른 실리콘 생산장치의 개략적인 모습을 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 생산장치의 개략적인 모습을 도시한 도면.

Claims

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실리콘 생산반응이 이루어지는 반응용기(20)와, 반응용기 바닥에 설치되어 종자용 실리콘 막대(1)가 재치되는 한편 종자용 실리콘 막대(1)에 전원을 공급하는 전극부(21)와, 상기 전극부(21)에 전선(L)을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제1스위치수단(S1)을 통해 상기 전극부에 고압고주파 전원을 공급하여 상기 종자용 실리콘 막대에 고압고주파 전원을 공급하는 고압고주파 전원장치(30)와, 상기 전극부에 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결되고 또한 제2스위치수단(S2)을 통해 상기 전극부에 상용 교류전압을 공급하여 상기 종자용 실리콘 막대에 상용 교류전원을 공급하는 트랜스포머(40)와, 상기 반응용기 근처 외부에 설치되어 가열되는 종자용 실리콘 막대의 온도를 검출하는 적외선 온도계(50)와, 상기 종자용 실리콘 막대가 실리콘 생성을 위한 반응온도를 유지하도록 적외선 온도계가 측정하는 실리콘 막대의 온도에 따라서 트랜스포머의 출력을 제어하는 전력조절기(60)와, 상기 적외선 온도계에 연결되어 종자용 실리콘 막대가 상용 교류전압을 흘릴 수 있는 온도를 적외선 온도계가 측정하면 제1 및 제2스위치수단을 선택적으로 단속하는 스위칭장치(70)로 구성되는 실리콘 생산장치를 이용하여 실리콘을 생산하는 방법에 있어서,

상기 반응용기(20) 내의 전극부(21)에 실리콘 막대(1)를 설치하는 단계(Se1)와,

상기 반응용기 내에 수소 또는 헬륨가스를 주입하여 반응용기 내의 압력을 상압 이상으로 유지하는 단계(Se2)와,

상기 제1스위치수단(S1)을 턴온하여 상기 고압고주파 전원장치(30)로부터 고압고주파 전원이 상기 실리콘 막대에 공급되도록 하는 단계(Se3)와,

상기 종자용 실리콘 막대가 상용 교류전압이 흘릴 수 있는 온도로 가열되는 것을 상기 적외선 온도계(50)가 감지하면 상기 스위칭수단(70)이 상기 제1스위치수단(S1)을 턴오프하는 동시에 제2스위치수단(S2)을 턴온하여 트랜스포머(40)로부터 실리콘 막대로 상용 교류전압이 공급되는 단계(Se4)와,

상기 실리콘 막대가 상용 교류전압에 의해 실리콘 성장을 위한 반응온도로 가열되면 실란계열 가스와 수소가스 혼합물을 반응용기 투입하여 실리콘 막대에 실리콘의 증착이 이루어지는 단계(Se5)와,

상기 실리콘 막대가 상기 반응온도 이내로 가열되도록 적외선 온도계가 실리콘 막대의 온도를 측정하여 전력조절기를 통해 트랜스포머로부터 출력되는 전원의 양을 조절하는 단계(Se6)로 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 생산방법.
제5항에 있어서, 상기 고압고주파 전원장치(30)가 공급하는 고압고주파 전원은 500볼트 내지 2만볼트의 전압과 1㎑ 내지 1㎒의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 생산방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 종자용 실리콘 막대가 상용 교류전압을 흘릴 수 있는 온도는 300 내지 600도인 것을 특징으로 하는 실리콘 생산방법.
제7항에 있어서, 상기 반응온도는 1000 내지 1300도인 것을 특징으로 하는 실리콘 생산방법.