KR101186986B1 - Mass production method for pure silicon - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 금속급 실리콘을 고순도 실리콘 박막을 증착하여 실리콘 막대를 형성하는 것으로서, 특히 회전전극 주위에 회전하는 실리콘 코어 필라멘트를 설치하는 것을 특징으로 한다. 종래 금속급 실리콘을 고순도화하기 위해서는 지멘스 공법이나 금속 정련법이 이용되었으나, 전력소모가 많은 단점이 있다. 하지만 이 방법으로는 회전전극과 실리콘 코어 필라멘트 사이에서만 방전이 일어나므로 전력소모가 적은 장점이 있고, 저비용으로 고순도의 실리콘을 높은 증착 속도로 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있다.The present invention forms a silicon rod by depositing a high purity silicon thin film of metal grade silicon using a plasma CVD apparatus, and in particular, installs a rotating silicon core filament around a rotating electrode. Conventionally, the Siemens method or the metal refining method has been used to high purity metal grade silicon, but there are many disadvantages in power consumption. However, this method has the advantage of low power consumption because the discharge occurs only between the rotating electrode and the silicon core filament, and has the advantage of mass production of high purity silicon at a high deposition rate at low cost.

Description

고순도 실리콘의 대량 생산 방법 {MASS PRODUCTION METHOD FOR PURE SILICON}Mass production method of high purity silicon {MASS PRODUCTION METHOD FOR PURE SILICON}

본 발명은 고순도 실리콘을 대량 생산하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 화학 수송법을 이용하여 고순도의 실리콘을 효율적으로 생산할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for mass production of high purity silicon, and more particularly, to a method for efficiently producing high purity silicon using plasma chemical transport.

실리콘은 반도체 및 태양전지의 핵심 원료이다. 특히 폴리실리콘은 결정 구조가 다결정 상태를 유지하면서 순도가 매우 높아 상업적 유용성이 매우 큰 소재이며, 일반적으로 이와 같은 폴리실리콘은 막대형 또는 입자형으로 제조되고 있으며, 폴리실리콘의 제조 방법은 다음과 같다.Silicon is a key raw material for semiconductors and solar cells. Particularly, polysilicon is a material having a high commercial usefulness due to its high purity while maintaining a polycrystalline state. Generally, such polysilicon is manufactured in a rod or particle form, and a polysilicon manufacturing method is as follows. .

폴리실리콘은 일차적으로 석영(이산화규소=SiO2)을 코크스(Cokes)나 숯 등을 사용하여 탄소를 이용하여 환원시켜 금속 규소로 만들고 액체로 만든 후 응고시켜 순도 약 98.5%의 금속급 실리콘(Metallurgical-Grade Si; MG-Si) 형태로 만든 뒤 다양한 제조공정을 통해 고순도 폴리실리콘으로 제조된다.Polysilicon is primarily reduced quartz (silicon dioxide = SiO 2 ) by using coke or charcoal to reduce carbon to metal silicon, liquid to solidify, and then solidify about 98.5% of metal grade silicon (Metallurgical) -Grade Si (MG-Si) form and then made of high purity polysilicon through various manufacturing processes.

종래, 금속급 실리콘으로부터 고순도 폴리실리콘을 제조하는 방법은 크게 지멘스 공법, FBR(Fluidised Bed Reactor) 공법, 금속정련(야금) 공법 등으로 나뉜다. Conventionally, a method for producing high purity polysilicon from metal grade silicon is largely divided into Siemens method, FBR (Fluidised Bed Reactor) method, metal refining (metallurgy) method and the like.

이중 지멘스 공법은 1950년대 지멘스사에 의해 개발돼 지금까지 세계적으로 가장 널리 쓰이는 공법으로 금속급 실리콘을 염소(HCl)와 기체와 반응시켜, 염화실란 또는 삼염화실란 기체로 만든 후, 1000℃ 이상으로 가열된 n 모양의 실리콘 코어 막대(Rod)를 통해 반응기체를 열분해시켜 고순도 폴리실리콘을 얻는 방법이다. 그런데 이 공법은 실리콘 코어 막대의 온도를 높게 유지해야 하기 때문에 제조비용과 설비비가 높으며 생산성이 떨어지는 단점이 있다.The Siemens process was developed by Siemens in the 1950s and is the most widely used process so far in the world. Metal-grade silicon is reacted with chlorine (HCl) and gas, made of chlorine chloride or trichlorosilane gas, and heated to 1000 ℃ or higher. It is a method of obtaining a high purity polysilicon by pyrolyzing the reactor through the n-shaped silicon core rod (Rod). However, this method has a disadvantage in that the manufacturing cost and equipment cost are high and productivity is low because the temperature of the silicon core rod must be kept high.

FBR 공법은 수소가스가 흐르는 도가니에 실리콘 씨앗(Seed)을 투입하고, 염화실란이나 삼염화실란 등 실란가스를 주입하면 실리콘 씨앗이 낙하하면서 주변에 지름 1cm 가량의 동그란 구형 실리콘이 석출되는 방식이다. 지멘스 공법보다 100배가량 실리콘 석출 속도가 빨라 생산성이 우수하지만, 품질이 다소 떨어지는 것이 약점이다.In the FBR method, silicon seeds (Seed) are injected into a crucible through which hydrogen gas flows, and when silane gas such as chloride silane or trichloride is injected, silicon seeds fall and round spherical silicon having a diameter of about 1 cm is deposited. The silicon precipitation rate is about 100 times faster than the Siemens method, so the productivity is excellent, but the quality is somewhat weak.

한편, 최근에는 금속급 실리콘을 이용하여 지멘스나 FBR 공법을 거치지 않고 금속 정련법으로 태양전지용 실리콘을 만드는 야금법의 연구가 많이 이루어지고 있다. 야금법은 금속급 실리콘을 진공 중에서 가열 및 용해하고 전자빔을 조사하여 불순물인 인(P)를 없애거나, 아르곤(Ar) 분위기에서 용해한 후 플라즈마 토치를 이용해 브롬(B)을 없앤 후 응고시키는 방법이다. 그러나 야금법으로는 아직까지 태양전지용으로만 사용이 가능한 6 nine급까지 생산되고 있는 실정이며, 일본의 JFE 스틸 사에서는 현재 파일롯 수준의 테스트로 진행 중이다.
On the other hand, in recent years, a lot of research on metallurgical method of making silicon for solar cell by metal refining method without going through Siemens or FBR method using metal grade silicon. Metallurgical method is a method of heating and dissolving metal-grade silicon in vacuum and irradiating electron beam to remove impurities (P) or dissolve in argon (Ar) atmosphere and then remove bromine (B) by plasma torch and solidify. . However, metallurgical methods are still producing up to six nines, which can be used only for solar cells. JFE Steel of Japan is currently conducting pilot-level tests.

본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 플라즈마 화학 수송 장치를 이용하여, 수소 플라즈마 내에서 금속급 실리콘을 고순도의 실리콘으로 형성할 수 있어 종래기술에 비하여 우수한 효율과 낮은 비용으로 고순도 실리콘을 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.
The present invention has been made to solve the problems of the prior art, by using a plasma chemical transport apparatus, it is possible to form a metal-grade silicon in a high-purity silicon in hydrogen plasma, high purity with excellent efficiency and low cost compared to the prior art The challenge is to provide a way to produce silicon.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, CVD 장치를 이용한 고순도 실리콘의 제조방법으로서, (a) CVD 반응용기 내에 정제하고자 하는 원료 실리콘으로 제조한 원료전극과, 상기 원료전극과 소정 거리를 두고 이격되게 실리콘 코어 필라멘트를 배치하는 단계; (b) 상기 CVD 반응용기 내에 불순물 농도가 1ppb 미만인 수소 가스와 불활성 가스를 주입하는 단계; 및 (c) 상기 원료전극을 냉각시키고 상기 실리콘 코어 필라멘트를 가열시키며, 상기 원료전극에 전원을 인가하여 상기 원료전극과 실리콘 코어 필라멘트 사이에 수소 플라즈마를 형성시키는 단계를 포함하며, 상기 (c) 단계에서 생성된 수소 플라즈마는 상기 냉각된 원료전극으로부터 실란을 형성하고 형성된 실란은 상기 가열된 실리콘 코어 필라멘트 상에서 분해되어 고순도 실리콘을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.As a means for solving the above problems, the present invention provides a method for producing high purity silicon using a CVD apparatus, comprising: (a) a raw material electrode made of raw material silicon to be purified in a CVD reaction vessel, and a predetermined distance from the raw material electrode; Placing the silicon core filaments spaced apart; (b) injecting hydrogen gas and an inert gas having an impurity concentration of less than 1 ppb into the CVD reaction vessel; And (c) cooling the raw material electrode and heating the silicon core filament, and applying power to the raw material electrode to form a hydrogen plasma between the raw material electrode and the silicon core filament, the step (c) Hydrogen plasma generated in the to form a silane from the cooled source electrode and the formed silane is decomposed on the heated silicon core filament to provide a method of forming a high purity silicon.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 원료전극의 외주부에 2 이상의 실리콘 코어 필라멘트를 방사상으로 배치하는 것을 특징으로 한다. 이 방법은 한 배치당 정제되는 실리콘의 생산량을 늘릴 수 있게 한다.In addition, according to one aspect of the invention, it characterized in that the radially arranged two or more silicon core filaments on the outer peripheral portion of the raw material electrode. This method allows for increased production of silicon that is purified per batch.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 (b) 단계에 있어서, 상기 반응용기 내부의 압력은 100 ~ 750 Torr로 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다. 이는 반응용기 내부의 압력이 100 Torr 미만일 경우 전극 사이의 방전이 불안정하기 때문이다. 이때, 반응용기 내부의 압력조절은 각 반응가스를 흘리는 방법은 물론 내부 가스를 순환시키는 방법도 사용될 수 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, in the step (b), the pressure inside the reaction vessel is characterized in that it is maintained at 100 ~ 750 Torr. This is because the discharge between the electrodes is unstable when the pressure inside the reaction vessel is less than 100 Torr. At this time, the pressure control inside the reaction vessel may be used to circulate the internal gas as well as the method of flowing each reaction gas.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에 있어서, 상기 실리콘 코어 필라멘트 또는 원료전극의 이동을 통해 상기 실리콘 코어 필라멘트와 원료전극 간의 거리가 소정 거리를 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 실리콘 코어 필라멘트 상에 실리콘이 증착됨에 따라 원료전극과 실리콘 코어 필라멘트 사이의 간격이 좁아질 수 있는데, 실리콘의 증착량과 원료전극의 감소량에 맞추어 실리콘 코어 필라멘트 또는 원료전극의 일방 또는 양방의 위치를 조절하여 간격을 조절하여야 하기 때문이다. 이때, 원료전극의 외주부에 방사상으로 실리콘 코어 필라멘트를 배치할 경우에는 실리콘 코어 필라멘트를 움직이는 것이 바람직하다.Further, according to another aspect of the present invention, in the step (c), the distance between the silicon core filament and the raw material electrode to maintain a predetermined distance by the movement of the silicon core filament or the raw material electrode do. As the silicon is deposited on the silicon core filament, the gap between the raw material electrode and the silicon core filament may be narrowed. The position of one or both of the silicon core filament or the raw material electrode is adjusted according to the deposition amount of silicon and the decrease of the raw material electrode. This is because the interval must be adjusted. At this time, when the silicon core filament is disposed radially on the outer peripheral portion of the raw material electrode, it is preferable to move the silicon core filament.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에 있어서, 상기 원료전극에의 전원 인가는 RF 또는 VHF (13.56 ~ 200MHz)와 같은 방법을 사용할 수 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, in the step (c), the power supply to the source electrode can be used a method such as RF or VHF (13.56 ~ 200MHz).

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 (c) 단계에 있어서, 상기 원료전극의 회전 속도는 100 ~ 3000rpm로 유지하고, 상기 실리콘 코어 필라멘트의 회전 속도는 1 ~ 1000 rpm로 유지하는 것을 특징으로 한다. 이는 상기 원료전극의 회전속도가 100rpm 미만일 경우 실리콘 박막 내부에 이물질에 의한 불순물이 함유할 가능성이 있기 때문이고, 3000rpm을 초과할 경우 기구적으로 무리가 갈 수 있기 때문이다.Further, according to another aspect of the invention, in the step (c), the rotational speed of the raw material electrode is maintained at 100 ~ 3000rpm, the rotational speed of the silicon core filament is characterized in that it is maintained at 1 ~ 1000 rpm It is done. This is because if the rotational speed of the raw material electrode is less than 100rpm, impurities due to foreign matters may be contained in the silicon thin film, and if it exceeds 3000rpm, it may be mechanically unreasonable.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 원료전극의 내부에는 냉매가 흐르는 냉매관이 형성되어 있어, 냉매를 이용하여 냉각될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 냉매로는 물과 같이 수송 반응을 일으킬 수 있을 정도로 원료전극을 냉각시킬 수 있는 냉매라면 어느 것이나 사용될 수 있다.In addition, according to another aspect of the present invention, a coolant tube through which a coolant flows is formed inside the raw material electrode, and the coolant may be cooled using a coolant, and the coolant may be transported as water. Any refrigerant can be used as long as it can cool the raw material electrode to cause a reaction.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 원료 실리콘은 금속급 실리콘(MG-Si)인 것을 특징으로 한다. 물론 상기 원료 실리콘으로는 다양한 순도의 실리콘을 사용할 수 있으나, 적어도 금속급 실리콘 정도의 순도를 갖는 것이 바람직하다.In addition, according to another aspect of the present invention, the raw material silicon is characterized in that the metal grade silicon (MG-Si). Of course, as the raw material silicon, silicon of various purity may be used, but it is preferable to have a purity of at least about metal grade silicon.

상기와 같은 방법을 통해 실리콘 코어 필라멘트에 형성되는 실리콘은 폴리실리콘 또는 비정질로 형성될 수 있으며, 이와 같은 결정구조의 차이는 CVD의 반응조건의 조절을 통해 조절될 수 있다.
Silicon formed on the silicon core filament through the above method may be formed of polysilicon or amorphous, and the difference in crystal structure may be controlled by controlling the reaction conditions of CVD.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 종래의 공법에 비해 저비용으로 고순도의 실리콘을 대량으로 생산할 수 있다.
According to the method according to the present invention, it is possible to produce a large amount of high purity silicon at a lower cost than the conventional method.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법에 사용된 플라즈마 CVD 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 생성용 원기둥 형상 원료전극의 개략도이다.
도 3은 도 1의 장치에서 원료전극과 실리콘 코어 필라멘트의 배치 상태에 대한 평단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.1 is a schematic diagram of a plasma CVD apparatus used in a method according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a cylindrical raw material electrode for plasma generation according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of an arrangement state of a raw material electrode and a silicon core filament in the apparatus of FIG. 1.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소 및 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the preferred embodiments of the present invention. However, the following examples are merely examples to help the understanding of the present invention, whereby the scope of the present invention is not reduced or limited.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 사용한 플라즈마 CVD 장치(1)는, 챔버(10)와 상기 챔버(10) 내부의 중앙에 수직하고 회동가능하게 배치되는 원기둥 형상의 원료전극(20), 상기 원료전극(20)의 외주부에 소정간격을 두고 회동가능하게 배치되는 실리콘 코어 필라멘트(30), 수소 및 할로겐 가스를 상기 챔버(10)로 주입하기 위한 주입밸브(40), 상기 챔버(10) 내의 가스를 상기 챔버(10) 밖으로 배출하기 위한 배출밸브(50)로 이루어진다.As shown in FIG. 1, the plasma CVD apparatus 1 used in the present invention includes a cylindrical raw material electrode 20 disposed vertically and rotatably at the center of the chamber 10 and the inside of the chamber 10. The silicon core filament 30, the injection valve 40 for injecting hydrogen and a halogen gas into the chamber 10, which are rotatably arranged at predetermined intervals on the outer circumferential portion of the raw material electrode 20, and the chamber 10. And a discharge valve 50 for discharging the gas inside the chamber 10.

상기 챔버(10)는 금속판재를 가공하여 내부에 빈 공간이 형성되도록 한 원통형으로 이루어져 있으며, 일측에 상기 원기둥 형상의 원료전극(20)을 고정하고 회전시키기 위한 장치(미도시)가 형성되어 있다.The chamber 10 is formed in a cylindrical shape so as to form an empty space therein by processing a metal plate, and an apparatus (not shown) for fixing and rotating the cylindrical raw material electrode 20 is formed at one side. .

상기 원기둥 형상의 원료전극(20)은 도 2에 도시된 바와 같이, 구동수단(미도시)에 의해 구동되며 전원이 인가되는 회전축(21)과 상기 회전축에 결합된 원기둥 형상의 전극부(22) 및 상기 회전축(21)과 전극부(22)의 내부에 형성된 냉매관(23)으로 구성된다. 상기 냉매관(23)은 원료전극(20)을 기계가공하여 형성할 수도 있으나, 열전도 효율을 높이기 위해서 구리와 같이 열전도성이 높은 관을 원료전극(20)의 내부에 구멍을 형성한 후 매입시키는 방식으로 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉매관(23)은 챔버(10) 외부에 배치된 냉매 공급수단(미도시)과 연결되어 냉매의 순환에 의해 원료전극(20)이 냉각될 수 있게 한다.As shown in FIG. 2, the cylindrical raw material electrode 20 is driven by a driving means (not shown) and has a rotating shaft 21 to which power is applied, and a cylindrical electrode portion 22 coupled to the rotating shaft. And a refrigerant pipe 23 formed in the rotary shaft 21 and the electrode part 22. The coolant tube 23 may be formed by machining the raw material electrode 20, but in order to increase thermal conductivity, a tube having a high thermal conductivity such as copper is formed in the raw material electrode 20 and then embedded therein. It is preferable to install in a manner. In addition, the coolant pipe 23 is connected to a coolant supply means (not shown) disposed outside the chamber 10 to allow the raw material electrode 20 to be cooled by circulation of the coolant.

상기 회전축(21)에는 약 150MHz의 전원을 인가하여 상기 전극부(22)에서 방전을 일으켜 플라즈마를 생성시키도록 되어 있다. 이때 전극부(22)와 상기 실리콘 코어 필라멘트(30) 사이의 간격은 0.1 ~ 1mm 사이로 조절되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 챔버(10) 내에 1개의 원료전극(20)을 배치하였으나, 복수의 원료전극(20)을 배치할 수도 있다.A power of about 150 MHz is applied to the rotating shaft 21 to generate a discharge in the electrode part 22 to generate a plasma. At this time, the interval between the electrode unit 22 and the silicon core filament 30 is preferably adjusted to 0.1 ~ 1mm. In addition, although one raw material electrode 20 is disposed in the chamber 10 in the embodiment of the present invention, a plurality of raw material electrodes 20 may be disposed.

상기 실리콘 코어 필라멘트(30)는 폴리 실리콘을 사용하여 선형으로 가공한 것으로서, 필요에 따라 다양한 직경의 크기를 사용할 수 있다. 또한 상기 실리콘 코어 필라멘트(30)의 일단 또는 양단은 실리콘 코어 필라멘트(30)를 고정하고 고정위치를 이동시키면서 동시에 회전시킬 수 있는 실리콘 코어 필라멘트 위치제어 및 회전구동장치(미도시)와 연결된다.
The silicon core filament 30 is processed linearly using polysilicon, and various sizes of diameters may be used as necessary. In addition, one or both ends of the silicon core filament 30 is connected to a silicon core filament position control and rotation driving device (not shown) which can simultaneously rotate while fixing the silicon core filament 30 and moving the fixed position.

다음으로 상술한 플라즈마 CVD 장치(1)를 이용하여 고순도 실리콘을 제조하는 과정에 대해 상세하게 설명한다.Next, the process of manufacturing high purity silicon using the plasma CVD apparatus 1 mentioned above is demonstrated in detail.

본 발명의 실시예에 따른 고순도 실리콘의 제조방법은 크게, CVD 반응용기에 정제하고자 하는 실리콘으로 만든 원료전극과 고순도 실리콘으로 제조한 실리콘 코어 필라멘트를 배치하는 단계와, CVD 반응용기 내에 고순도의 수소 및 할로겐 가스를 주입하는 단계 및 원료전극에 전원을 인가하여 실리콘 코어 필라멘트 상에 실리콘이 증착되도록 하는 단계로 이루어진다.A method of manufacturing high purity silicon according to an embodiment of the present invention includes the steps of: disposing a raw electrode made of silicon to be purified in a CVD reaction vessel and a silicon core filament made of high purity silicon; Injecting a halogen gas and applying power to the source electrode to deposit silicon on the silicon core filament.

먼저, 원료전극(20)과 실리콘 코어 필라멘트(30)의 배치는 도 1 및 3에 도시된 바와 같이, 챔버(10) 안에 원료전극(20)과 실리콘 코어 필라멘트(30)를 장착한다. 이때 원료전극(20)의 냉매관(23)에는 20℃ 이하의 냉각수를 순환시켜 원료전극(20)이 냉각되게 한다. 또한 실리콘 코어 필라멘트(30)의 양단은 전원장치와 연결하여 전기를 통해 반응에 앞서 실리콘 코어 필라멘트가 300 ~ 400℃ 정도로 예열할 수 있도록 한다. 이는 실리콘 코어 필라멘트를 300℃ 이상으로 예열하지 않을 경우 수송반응이 잘 일어나지 않기 때문이며 400℃를 초과할 경우 실리콘 정제에 미치는 유리한 효과는 거의 없는 반면에 전력소모가 많아 실익이 없기 때문이다.First, in the arrangement of the raw material electrode 20 and the silicon core filament 30, the raw material electrode 20 and the silicon core filament 30 are mounted in the chamber 10, as shown in FIGS. 1 and 3. At this time, the coolant tube 23 of the raw material electrode 20 is circulated in the cooling water of 20 ° C. or less to cool the raw material electrode 20. In addition, both ends of the silicon core filament 30 is connected to the power supply so that the silicon core filament can be preheated to about 300 ~ 400 ℃ prior to the reaction through electricity. This is because the transport reaction does not occur well when the silicon core filament is not preheated to 300 ° C. or higher, and when the silicon core filament is exceeded 400 ° C., there is little beneficial effect on the silicon purification while the power consumption is large and there is no benefit.

한편, 실리콘 코어 필라멘트(30)의 배치는 도 3에 도시된 바와 같이, 원료전극(20)의 전극부(22)로부터 0.1 ~ 1mm의 간격을 두도록 배치하며, 원료전극(20)의 직경에 맞추어 원료전극의 전극부(22)의 외주부에 등 간격으로 실리콘 코어 필라멘트(30)를 배치한다. 한편 도 3에서는 총 5개의 실리콘 코어 필라멘트(30)를 배치하였으나, 원료전극(20)의 직경에 따라 그 이하 또는 그 이상으로 배치할 수도 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 3, the silicon core filament 30 is disposed at an interval of 0.1 mm to 1 mm from the electrode portion 22 of the raw material electrode 20, and according to the diameter of the raw material electrode 20. The silicon core filaments 30 are arranged at equal intervals on the outer circumferential portion of the electrode portion 22 of the raw material electrode. In FIG. 3, five silicon core filaments 30 are disposed in total, but the silicon filament 30 may be disposed in a smaller or larger number depending on the diameter of the raw material electrode 20.

원료전극(20)과 실리콘 코어 필라멘트(30)의 배치가 완료되면, 고진공용 펌프(예: Turbo, Cryo 등)를 이용하여 챔버(10) 내의 진공도가 10-7 Torr가 되도록 충분히 챔버(10) 내의 가스를 뽑아낸다. 이후 정제기(Purifier)를 통하여 정제된 불순물 농도 1 ppb 이하의 초고순도 수소 및 헬륨 가스를 주입하여, 750Torr 이하의 압력을 유지한다. 이때 압력은 100 ~ 750Torr 모두 가능하며, 각 가스를 공급하면서 압력을 유지할 수도 있고, 내부 가스를 순환하여 유지할 수도 있다.When the arrangement of the raw material electrode 20 and the silicon core filament 30 is completed, the chamber 10 is sufficiently heated so that the vacuum degree in the chamber 10 is 10 −7 Torr using a high vacuum pump (eg, Turbo, Cryo, etc.). Draw out the gas inside. Subsequently, ultrapure hydrogen and helium gas having a purified impurity concentration of 1 ppb or less is injected through a purifier to maintain a pressure of 750 Torr or less. At this time, the pressure can be 100 ~ 750 Torr, it is possible to maintain the pressure while supplying each gas, it may be maintained by circulating the internal gas.

그리고 실리콘 코어 필라멘트(30)를 1 ~ 1000rpm의 회전속도로 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 회전시키며, 원료전극(20)은 100 ~ 3000rpm의 회전속도로 상기 실리콘 코어 필라멘트(30)와 반대되는 방향으로 시계방향 혹은 반시계방향으로 회전시키면서 전원을 인가한다. 이때 전원으로는 RF 혹은 VHF (13.56 ~ 200MHz) 모두 가능하다.The silicon core filament 30 is rotated clockwise or counterclockwise at a rotational speed of 1 to 1000 rpm, and the raw material electrode 20 is opposite to the silicon core filament 30 at a rotational speed of 100 to 3000 rpm. Apply power while rotating clockwise or counterclockwise. At this time, it can be RF or VHF (13.56 ~ 200MHz).

이와 같이 원료전극(20)에 전원을 인가하게 되면, 실리콘 코어 필라멘트(30)와 원료전극의 전극부(22) 사이에 방전이 일어나면서, 실리콘 코어 필라멘트 사이에 수소 플라즈마를 형성되고, 수소 플라즈마에 의해 상기 냉각된 원료전극으로부터 실란의 형성반응이 일어나고, 상기 높은 온도로 가열된 실리콘 코어 필라멘트(30)에서는 실란의 분해반응(즉, 실리콘 생성반응)이 일어나, 원료전극(20)으로부터 실리콘 코어 필라멘트(30)로 실리콘이 증착되는 수송반응이 일어난다.When power is applied to the raw material electrode 20 as described above, a discharge occurs between the silicon core filament 30 and the electrode portion 22 of the raw material electrode, and a hydrogen plasma is formed between the silicon core filaments, As a result, a silane formation reaction occurs from the cooled source electrode, and a silicon core filament 30 heated to the high temperature generates a decomposition reaction of the silane (that is, a silicon formation reaction). A transport reaction in which silicon is deposited occurs at 30.

이와 같은 수송반응을 통해 실리콘 코어 필라멘트(30)의 표면에 실리콘 코팅이 이루어지며, 이때 실리콘 코팅의 두께가 두꺼워지는 속도에 맞추어 실리콘 코어 필라멘트(30)를 이동시켜 원료전극(20)과 사이의 거리가 0.1 ~ 1 mm 간격을 유지하도록 한다. 한편, 증착되는 실리콘은 증착조건에 따라 비정질 또는 미세결정질 구조로 조절될 수 있다.The silicon coating is formed on the surface of the silicon core filament 30 through the transport reaction, and the distance between the raw material electrode 20 and the silicon core filament 30 is moved at a speed at which the thickness of the silicon coating is thickened. Should be kept 0.1 to 1 mm apart. Meanwhile, the silicon to be deposited may be controlled to an amorphous or microcrystalline structure according to the deposition conditions.

본 발명의 실시예에 의하면, 종래와 같이 많은 전력을 소모하지 않고도 고순도의 실리콘을 대량으로 생산할 수 있게 된다.
According to the embodiment of the present invention, it is possible to produce a large amount of high purity silicon without consuming much power as in the prior art.

10: 챔버
20: 원료전극
30: 실리콘 코어 필라멘트
40: 주입밸브
50: 배출밸브 10: chamber
20: raw material electrode
30: silicon core filament
40: injection valve
50: discharge valve

Claims (8)

CVD 장치를 이용한 고순도 실리콘의 대량 생산 방법으로서,
(a) CVD 반응용기 내에 정제하고자 하는 원료 실리콘으로 제조한 원료전극과, 상기 원료전극과 소정 거리를 두고 이격되게 실리콘 코어 필라멘트를 배치하는 단계;
(b) 상기 CVD 반응용기 내에 불순물 농도가 1ppb 미만인 수소 가스와 불활성 가스를 주입하는 단계; 및
(c) 상기 원료전극을 냉각시키고 상기 실리콘 코어 필라멘트를 가열시키며, 상기 원료전극에 전원을 인가하여 상기 원료전극과 실리콘 코어 필라멘트 사이에 수소 플라즈마를 형성시키는 단계를 포함하며,
상기 (c) 단계에서 생성된 수소 플라즈마는 상기 냉각된 원료전극으로부터 실란을 형성하고 형성된 실란은 상기 가열된 실리콘 코어 필라멘트 상에서 분해되어 고순도 실리콘을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.As a mass production method of high purity silicon using a CVD apparatus,
(a) disposing a raw material electrode made of raw material silicon to be purified in a CVD reaction vessel, and a silicon core filament spaced apart from the raw material electrode at a predetermined distance;
(b) injecting hydrogen gas and an inert gas having an impurity concentration of less than 1 ppb into the CVD reaction vessel; And
(c) cooling the source electrode and heating the silicon core filament, and applying power to the source electrode to form a hydrogen plasma between the source electrode and the silicon core filament,
Wherein the hydrogen plasma generated in step (c) forms silane from the cooled source electrode and the formed silane decomposes on the heated silicon core filament to form high purity silicon. 제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계에 있어서, 상기 원료전극의 외주부에 2 이상의 실리콘 코어 필라멘트를 방사상으로 배치하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
In the step (a), characterized in that two or more silicon core filaments are disposed radially on the outer peripheral portion of the raw material electrode. 제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에 있어서, 상기 반응용기 내부의 압력은 100 ~ 750 Torr로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
In the step (b), the pressure inside the reaction vessel is characterized in that it is maintained at 100 ~ 750 Torr. 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에 있어서, 상기 실리콘 코어 필라멘트 또는 원료전극의 이동을 통해 상기 실리콘 코어 필라멘트와 원료전극 간의 거리가 소정 거리를 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
In the step (c), the distance between the silicon core filament and the raw material electrode to maintain a predetermined distance through the movement of the silicon core filament or the raw material electrode. 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에 있어서, 상기 원료전극에의 전원 인가는 RF 또는 VHF (13.56 ~ 200MHz)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
In the step (c), the power supply to the source electrode is characterized in that the RF or VHF (13.56 ~ 200MHz). 제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계에 있어서, 상기 원료전극의 회전 속도는 100 ~ 3000rpm로 유지하고, 상기 실리콘 코어 필라멘트의 회전 속도는 1 ~ 1000 rpm로 유지하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
In the step (c), the rotational speed of the raw material electrode is maintained at 100 ~ 3000rpm, and the rotational speed of the silicon core filament is maintained at 1 ~ 1000rpm. 제 1 항에 있어서,
상기 원료전극의 내부에는 냉매가 흐르는 냉매관이 형성되어 있어, 냉매를 이용하여 냉각될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1,
And a coolant tube through which a coolant flows is formed in the raw material electrode, so that the coolant can be cooled using the coolant. 제 1 항에 있어서,
상기 원료 실리콘은 금속급 실리콘(MG-Si)인 것을 특징으로 하는 방법.
The method of claim 1,
And wherein the raw silicon is metal grade silicon (MG-Si).
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