KR101275768B1

KR101275768B1 - 스팀 플라즈마 토치를 이용한 ｕｍｇ 실리콘의 정련 장치

Info

Publication number: KR101275768B1
Application number: KR1020100109018A
Authority: KR
Inventors: 문병문; 신제식; 류태우; 구현진; 박동호; 이호문
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2013-06-17
Also published as: KR20110050371A; EP2320715A3; EP2320715B1; EP2320715A2; US8790584B2; US20110142724A1

Abstract

본 발명은 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치에 관한 것으로, 진공 챔버; 상기 진공 챔버 내에 배치되는 냉도가니; 상기 진공 챔버 내에 배치되고, 상기 냉도가니에 UMG 실리콘를 공급하는 장치; 상기 진공 챔버 내 상기 냉도가니의 상방에 배치되고, 작업매체로 스팀을 플라즈마 화염내에 유입시켜 형성된 스팀 플라즈마를 상기 냉도가니에 공급된 UMG 실리콘에 가하기 위한 스팀 플라즈마 토치;및 상기 진공 챔버 내 냉도가니로부터 발생되는 불순물 가스를 포집하기 위한 불순물 포집 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 UMG 실리콘의 정련 장치가 제공된다.

Description

스팀 플라즈마 토치를 이용한 ＵＭＧ 실리콘의 정련 장치 {system for refining UMG Si using a steam plasma torch}

본 발명은 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 스팀 플라즈마 토치를 이용하여 UMG 실리콘을 태양전지등급 실리콘으로 정련하기 위한 UMG 실리콘의 정련 장치에 관한 것이다.

세계 태양전지 시장은 1990년대 중반 이후 연 평균 35% 이상의 고속성장세를 지속해 오고 있는데 재질별로는 실리콘계 태양전지가 주종을 이루며(＞97%) 시장 성장을 주도하고 있다. 그동안 태양전지의 핵심 소재인 고순도 실리콘 원료는 반도체 웨이퍼용 단결정 실리콘의 스크랩이나 오프-스펙의 폴리실리콘으로 충당해 왔으나, 세계 태양광시장이 90년대 중반 이래 폭발적 성장세를 지속 산업화 단계에 접어들면서 수요증가에 공급이 미치지 못하게 되어 2004년부터는 심각한 공급부족 상황에 이르게 되었다. 폴리실리콘을 생산하기 위해서는 대형설비 투자가 요구되는 관계로 전세계적 실리콘 원료 품귀현상은 당분간 지속될 것으로 전망되고 있어, 특히 소요량의 거의 전량을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 국내 태양전지 산업의 육성 및 국제경쟁력 확보 차원에서 동양제철화학이 2006년부터 3000톤급 규모의 공장설립을 추진하고 있는 등 현재 자구책 마련을 위한 노력을 경주하고 있는 상황이다.

현재 전세계 고순도 폴리실리콘은 생산량의 90% 이상의 삼염화규소(TCS)법이라 불리우며 독일의 지멘스사에 의하여 개발된 일명 지멘스(Siemens) 공정에 의하여 생산되고 있다. 지멘스 공정에서는 고순도로 정류된 삼염화규소를 회수율을 높이기 위하여 수소가스와 혼합하여 1,000 ~ 1,100℃의 석출영역으로 유입시킨 후 고순도의 치밀한 다결정으로 석출시켜 제조하고 있는데, 이 공정으로 제조된 실리콘의 경우, 가격이 높은 편이며, 불순물의 농도가 ppb급으로 매우 고순도이다. 하지만, 태양전지용 실리콘은 이와 같은 고순도가 필요하지 않다.

따라서 최근에는 금속 실리콘을 저렴한 공정을 거쳐 5N(99.999%) 정도의 순도를 갖는 UMG(Upgraded Metallurgical Grade) 실리콘을 제조하여 태양전지 원료로 사용하고자 하는 노력이 시작되었다. UMG 실리콘을 이용할 경우, 결정질 실리콘 태양전지 제조비용의 30%를 차지하는 원료의 비율을 절반으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만, UMG 실리콘에는 도펀트로 사용되는 보론과 인의 농도가 태양전지로 사용되기 위한 기판의 요구사항보다 높다.

따라서, UMG 실리콘을 태양전지로 사용하기 위해서는 순도를 높이는 것이 필수적이다. UMG 실리콘은 예를 들면, 보론, 인, 비소 그리고 안티몬 등의 각종 다른 불순물 원소들을 함유할 수 있다. 불순물 원소의 유형에 따라, 불순물 정련 방법도 달리 해야한다.

변환 효율 및 비용 측면에서 모두 고전적인 재료와 경쟁할 수 있는 다결정질 웨이퍼 및 광전지를 안출하기 위한 UMG 실리콘의 정련법에 대한 조사가 이루어지고 있다.

플라즈마를 이용한 야금-등급 실리콘의 정련이 몇몇 연구 그룹에 의해 연구되어 왔다. 프랑스의 한 연구 그룹은 반응성 가스로 첨가된 산소로 유도 아르곤 플라즈마를 이용한 바 있다. 모든 실험은 낮은 단위(<250g)에 관하여 수행됐다. 그리고 일본의 다른 연구 그룹은 불순물중 하나인 보론의 제거를 연구하여 전자 빔, 아크 플라즈마, 그리고 방향성 응고를 결합한 정련 공정을 개발한 바 있다. 전자 빔은 인의 제거에 이용되었고, 플라즈마 처리는 물을 이용하여 보론을 제거 하였으며, 그리고 두개의 방향성 응고 단계는 금속 불순물들을 제거하였다. 이러한 연구들에서 처리된 실리콘의 양은 배치당 300kg에 이르렀다. 하지만 상기 공정은 야금 등급으로부터 직접 태양전지 등급의 실리콘을 제조하는 것은 가능할지라도, 플라즈마 처리 온도가 낮아 정련능이 떨어지고 비용 효율이 높지 않으며, 배치 타입으로 생산성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 또한, UMG 실리콘 정련 공정중 챔버내 불순물에 의한 재오염 문제도 상존한다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,

본 발명의 일 목적은 플라즈마 처리 온도를 높여 UMG 실리콘의 SG 실리콘으로의 정련능을 향상시키고 UMG 실리콘 정련 과정중 발생되는 불순물 가스에 의한 재오염을 방지할 수 있는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘 정련 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내 반응성 가스를안정적으로 유입시키기 위한 구조를 갖는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘 정련 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 폴리 실리콘 잉곳 주조공정이 가능하여 생산성이 높고 비용 효율이 높은 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치의 구성은,

진공 챔버;

상기 진공 챔버 내에 배치되는 냉도가니;

상기 진공 챔버 내에 배치되고, 상기 냉도가니에 UMG 실리콘를 공급하는 수단;

상기 진공 챔버 내 상기 냉도가니의 상방에 배치되고, 반응성 가스를 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내에 유입시켜 형성된 스팀 플라즈마를 상기 냉도가니에 공급된 UMG 실리콘에 가하기 위한 스팀 플라즈마 토치;및

상기 진공 챔버 내 냉도가니로부터 발생되는 불순물 가스를 포집하기 위한 불순물 포집 수단을 포함한다.

바람직하게는, 상기 불순물 포집 수단은,

상기 냉도가니의 상방에 냉도가니로부터 발생되는 불순물을 포함하는 진공 챔버 가스를 포획하기 위한 포획판;

상기 포획판에 일단이 연결되어 상기 포획된 진공 챔버 가스를 상기 진공 챔버 외부로 유출시키기 위한 유출관;

상기 유출관의 타단에 연결되어 상기 진공 챔버 가스에서 가스 상태의 상기 불순물을 더스트로 집진하기 위한 더스트 집진기;

상기 더스트 집진기로부터 상기 진공 챔버 가스를 전달 받아 상기 진공 챔버 가스에서 미분 상태의 상기 불순물을 걸러 불순물을 정제하기 위한 필터; 및

상기 불순물이 정제된 진공 챔버 가스를 진공 챔버 내부로 유입시키기 위한 유입관을 포함한다.

바람직하게는, 상기 더스트 집진기는 상기 더스트를 고상으로 냉각시키는 냉각 수단을 포함한다.

바람직하게는, 상기 불순물 포집 수단은 상기 불순물 포집판상에 냉각을 위한 냉각구조가 설치된다.

바람직하게는, 상기 스팀 플라즈마 토치는,

길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 음극 전원과 전기적으로 연결되는 전극봉;

상기 전극봉의 길이 방향으로 상기 전극봉을 둘러싸며, 상기 전극봉과의 사이에 제1 공간을 형성하고, 양극 전원과 전기적으로 연결되는 내부 덮개;

상기 길이 방향으로 상기 내부 덮개를 둘러싸며 상기 내부 덮개와의 사이에 제2 공간을 형성하는 내부 덮개; 및

상기 내부 덮개에 연결되며 상기 팁을 덮고 하단에 수평 노즐 단부가 형성되며, 상기 수평 노즐 단부에 제1오리피스가 형성되는 내부노즐 덮개와,

상기 외부 덮개에 연결되며 상기 수평 노즐 단부를 제외한 상기 내부 노즐 덮개를 덮고 상기 수평 노즐 단부에 수직한 수직 노즐 단부가 상기 수평 노즐 단부의 둘레를 따라 하단까지 형성되며, 상기 수직 노즐 단부에 제2오리피스와 제3오리피스가 상기 수평 노즐 단부를 기준으로 수직 방향으로 순서대로 형성되는 외부노즐 덮개를 갖는 노즐 덮개부를 포함하고,

상기 제1오리피스로는 상기 제1공간을 통해 플라즈마 발생을 위한 불활성 가스가 공급되고, 상기 제2오리피스로는 상기 제2 공간내에 설치되는 관을 통해 스팀 플라즈마를 형성하기 위한 반응성 가스가 공급되고, 상기 제3오리피스로는 상기 제2공간을 통해 플라즈마 형성을 위한 불활성 가스가 공급된다.

바람직하게는, 상기 제2오리피스와 상기 제3오리피스는 각각 좌우 대칭되게 복수개 형성된다.

바람직하게는, 상기 불활성 가스는 Ar이다..

바람직하게는, 상기 반응성 가스는 H₂ 및 H₂O로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상이다.

바람직하게는, 상기 제1오리피스와 상기 제3오리피스로 공급되는 상기 불활성 가스에 대한 상기 반응성 가스의 비율은 0.1 내지 10부피%이다.

바람직하게는, 상기 전극봉 내부에 냉각구조가 형성된다.

바람직하게는, 상기 냉도가니는 양극 전원에 전기적으로 연결된다.

바람직하게는, 상기 외부 덮개와 상기 노즐 덮개부를 따라 냉각 라인들이 각각 형성된다.

바람직하게는, 상기 스팀 플라즈마의 외부에서 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기를 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 냉도가니는, 상기 진공 챔버 내에 배치되고, 수직축을 가지며, 유도코일에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 냉도가니는 수냉구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지는 하부 개방형 냉도가니이다.

바람직하게는, 상기 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이룬다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 처리 온도를 높여 SG 실리콘으로의 UMG 실리콘 정련능을 향상시키고 UMG 실리콘 정련 과정중 발생되는 불순물 가스에 의한 재오염을 방지할 수 있는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘 정련 장치를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 반응성 가스를 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내에 안정적으로 유입시키는 것이 가능하여 이에 의해 얻어진 최적의 스팀 플라즈마를 UMG 실리콘 정련에 적용함으로써 UMG 실리콘의 정련능을 극대화 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, UMG 실리콘의 정련과 잉곳 주조의 연속 작업이 가능하여 생산성 및 비용 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 UMG 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 설명하기 위한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예의 플라즈마 토치의 종단면 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 3(a)는 도 1의 노즐부를 확대해서 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 도 3(a)에서 형성되는 플라즈마 화염의 A-A' 부분을 잘라 나타낸 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 플라즈마 반응성 가스의 종류에 따른 보론 정련 비를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 공급되는 플라즈마 반응성 가스의 전체량을 고정한 상태에서 공정 시간에 따른 정련 효과를 나타낸다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에서 공정 시간에 따른 정련효과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응성 가스의 유량에 따른 보론의 제거 비를 나타낸다.
도 8는 본 발명의 바람직한 실시예의 스팀 발생기의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 장치에서 반응성 가스인 Ar, H₂, H₂O의 첨가여부에 따른 실리콘으로부터의 보론 제거율을 나타낸다.
도 10은 본 발명에 따른 장치에서 UMG 실리콘을 원료로 하여 정련한 결과 정련시간에 따른 실리콘 중 보론의 잔존율을 나타낸다.
도 11은 본 발명에 따른 장치에서 반응성 가스로 H₂O를 첨가하였을 때 생성이 가능한 보론의 산화물들에 대하여 열역학 데이터를 토대로 계산한 자유에너지 그래프이다.
도 12은 본 발명에 따른 장치에서 반응성 가스의 변화에 따른 정련 후 실리콘 중 금속불순물의 양의 변화에 대한 그래프이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 UMG 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 설명하기 위한 측면도이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 UMG 실리콘의 정련 장치는 진공 챔버(A)와, 상기 진공 챔버(A) 내에 배치되는 냉도가니(B)와, 상기 진공 챔버(A) 내에 배치되고, 상기 냉도가니(B)에 실리콘를 공급하는 수단(C)과, 상기 진공 챔버(A) 내 상기 냉도가니(B)의 상방에 배치되고, 반응성 가스를 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내에 유입시켜 형성된 스팀 플라즈마를 상기 냉도가니에 공급된 실리콘에 가하기 위한 스팀 플라즈마 토치(D)와, 상기 진공 챔버(A) 내 상기 냉도가니(B)의 상방에 배치되고, 냉도가니(B)로부터 발생되는 불순물 가스를 포집하여 진공 챔버(A) 외부로 배출시키기 위한 불순물 포집 수단(F)을 포함한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 진공 챔버(A)가 제공되는데, 종래에 알려진 임의의 진공 펌프를 사용하여 상기 진공 챔버(A) 내부를 작업에 필요한 진공도에 이르게 할 수 있다.

그 다음, 진공 챔버(A)내에 냉도가니(B)가 배치된다. 종래에 알려진 임의의 냉도가니(B)를 본 발명에서 사용할 수 있지만, 바람직하게는 연속적인 작업을 위해, 하부 개방형 냉도가니, 예를 들면, 수직축을 가지며, 유도코일(1)에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 냉도가니(B)는 수냉구조(2)를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지는 하부 개방형 냉도가니를 사용할 수 있다.

바람직하게는, 냉도가니(B)는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿(3)들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트(4)로 분할되는 구조를 이룬다. 유도 코일(1)은 냉도가니(B)의 외부에 둘러싸여, 전류가 인가됨에 따라 발생된 자기장을 냉도가니(B)의 슬릿(3)들을 통하여 냉도가니(B)의 내부까지 투과시켜 원료를 가열 용해시킨다. 또한 저순도 실리콘 스크랩으로부터 얻어진 용탕(5)내에 와류를 형성시켜 불순물들 중에서 가장 핵심적인 원소인 보론과 인을 용탕(5) 표면으로 확산이동시켜 후술하는 이들의 제거 과정을 돕는 역할을 한다.

바람직하게는, 냉도가니(B)는 상부를 둘러싸는 단열재의 자기장 투과덮개(11)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

연속주조를 위해서는 우선 더미바(7)로 냉도가니(B)의 아래를 막은 상태에서 냉도가니(B)안에 UMG 실리콘(6)을 장입하고, 초기 용탕(5)을 용탕 돔(dome)이 냉도가니(B) 상단 5 mm 아래에 이르기까지 형성시킨 후, UMG 실리콘(6)을 계속적으로 보급하면서 더미바(7)를 일정 속도로 하강시키며 연속적으로 주괴(8)를 제조한다.

냉도가니(B)에 분쇄된 상태의 UMG 실리콘을 공급하기 위해 진공 체임버(A) 내에 UMG 실리콘 공급 수단(C)이 배치된다.UMG 실리콘(6)을 적절히 분쇄된 상태로 공급함으로써 작업 효율을 높일 수 있다.

그 다음, 용융을 돕고, 용탕(5)의 표면으로부터 불순물들을 고온에서 휘발시키기 위하여, 상기 진공 챔버(A) 내 상기 냉도가니(B)의 상방에 스팀 플라즈마 토치(D)가 배치되고, 상기 스팀 플라즈마 토치(D)는 반응성 가스를 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내에 유입시켜 스팀 플라즈마를 발생시키고, 이를 상기 냉도가니(B)에 공급되는 UMG 실리콘에 가한다.

스팀 플라즈마 토치(D)는 냉도가니(B)에 공급된 UMG 실리콘에 고 에너지를 갖는 플라즈마를 UMG 실리콘에 조사한다. 이에 의해 UMG 실리콘의 용융과 정련이 진행되고, 일단 용융이 시작되게 되면, 그 다음, 냉도가니 주변의 유도코일(1)에 흐르는 전류에 의한 전자기 유도 현상이 전체 UMG 실리콘 장입물의 용융을 확보하게 된다.

UMG 실리콘으로부터 얻어진 용탕(5)에 포함되어 있는 불순물들 중에서 가장 핵심적인 원소인 보론과 인은 다른 불순물에 비해서 제거가 특히 곤란하다. 보론과 인은 평형 분배 계수가 각각 0.8, 0.35로 타 불순물에 비해 1에 가까워 도가니에서 융해후 서냉에 의한 일방향응고장치에 의해서는 불순물 편석이 잘 일어나지 않는다.

이러한 보론과 인의 제거를 위해서는 고에너지를 인가하여 이들 불순물들을 고온에서 휘발시켜 가스화하는 방법이 이용된다. 그러나, 인은 실리콘에 비해 증기압이 높아 고에너지 인가시 실리콘이 휘발되기전에 실리콘 보다 먼저 휘발되지만, 보론은 실리콘에 비해 증기압이 낮아 고에너지 인가시 보론이 휘발되기전에 실리콘이 먼저 휘발되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 기존 Ar 스팀 플라즈마 토치는 보론의 제거에 있어서 한계가 있다.

이러한 기존 Ar 스팀 플라즈마 토치의 한계를 극복하기 위해, 본 발명에서 이용되는 바람직한 플라즈마 토치의 종단면 구조는 도 2에 개략적으로 나타나있다.

먼저, 본 발명에 따른 바람직한 스팀 플라즈마 토치(D1)의 내부 중심에는 전극봉(D10)이 배열되는데, 상기 전극봉(D10)은 소정의 길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 외부의 음극 전원과 전기적으로 연결된다. 바람직하게는, 상기 전극봉(D10) 내부에 냉각구조(D11)가 형성되고, 상기 냉각 구조(D11)에 냉각 수단이 연결되어 냉매, 예를 들면, 냉각수의 순환에 의해 전극봉(D10)을 냉각시킨다.

그 다음, 중공형 내부 덮개(D20)가 상기 전극봉(D10)의 길이 방향으로 상기 전극봉(D10)을 둘러싸며, 상기 전극봉(D10)과의 사이에 제1 공간(D15)을 형성하고, 외부의 양극 전원과 전기적으로 연결된다. 바람직하게는 상기 내부 덮개(D20)는 기본적으로 절연물질로 이루어지되 일측으로부터 타측으로 전류가 흐르는 도선(미도시)이 부분적으로 형성되어, 일측에 연결되는 양극 전원이 타측에 연결되는 후술할 노즐 덮개부(D40)의 내부 노즐 덮개(D41)에 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.

그리고, 중공형 외부 덮개(D30)가 상기 길이 방향으로 상기 내부 덮개(D20)를 둘러싸며 상기 내부 덮개(D20)와의 사이에 제2 공간(D26)을 형성한다. 바람직하게는 상기 중공형 외부 덮개(D30), 외부 노즐 덮개(D45), 그리고 내부 노즐 덮개(D41)로 이어지는 냉각 라인을 이들 내부에 형성하여 냉각함으로써, 이들에 가해지는 열적, 부식 환경적 스트레스를 감소시켜 보다 큰 파워를 인가할 수 있다.

그 다음, 노즐 덮개부(D40)를 구성하는 내부 노즐 덮개(D41) 및 외부 노즐 덮개(D45)가 각각 상기 내부 덮개(D20) 및 상기 외부 덮개(D30)에 각각 결합된다. 내부 노즐 덮개(D41)는 전극봉의 팁을 덮고, 상기 내부 노즐 덮개(D41)의 하단에 수평한 수평 노즐 단부(D42)가 형성되고, 상기 수평 노즐 단부(D42)에 제1오리피스(D43)가 형성된다. 외부 노즐 덮개(D45)는 상기 수평 노즐 단부(D42)을 제외한 상기 내부 노즐 덮개(D41)를 덮고, 상기 수평 노즐 단부(D42)에 수직한 수직 노즐 단부(D46)가 상기 수평 노즐 단부(D42)의 둘레를 따라 하단까지 형성되며, 상기 수직 노즐 단부(D46)에 제2오리피스(D47)와 제3오리피스(D48)가 상기 수평 노즐 단부(D42)을 기준으로 수직 방향으로 순서대로 형성된다.

여기서, 상기 제1오리피스(D43)로는 상기 제1공간(D15)을 통해 플라즈마 발생을 위한 불활성 가스(바람직하게는 Ar)가 공급되고, 상기 제2오리피스(D47)로는 상기 제2 공간(D26)내에 설치되는 관(D25)을 통해 스팀 플라즈마를 형성하기 위한 반응성 가스(바람직하게는 H₂, H₂O, 또는 이들의 혼합물)가 공급되고, 상기 제3오리피스(D48)로는 상기 제2공간(D26)을 통해 플라즈마 형성을 위한 불활성 가스(바람직하게는 Ar)가 공급된다.

수평 노즐 단부(D42)에 형성된 제1오피리스(D43)로 불활성 가스가 공급되면, 음극 전원이 연결되는 전극봉(D10)의 팁과 양극 전원이 연결되는 내부 노즐 덮개(D41)의 수평 노즐 단부(D42) 사이 공간에서 비이송식 플라즈마 아크 방전이 일어나 발생된 플라즈마 화염이 상기 수평 노즐 단부(D42)에 형성된 제1오리피스(D43)를 통해 내부 노즐 덮개(D41) 외부, 즉 수평 노즐 단부(D42)과 수직 노즐 단부(D46)에 의해 정의되는 공간(이하 “노즐 분사 공간”)로 토출되어 속 플라즈마 화염을 형성한다. 그 다음, 상기 수직 노즐 단부(D46)의 상부에 형성된 제2오리피스(D47)를 통해 반응성 가스가 노즐 분사 공간에 분사되어 속 플라즈마 화염으로 스팀 플라즈마가 유입된다. 그 다음, 상기 수직 노즐 단부(D46)의 하부에 형성된 제3오리피스(D48)를 통해 불활성 가스가 노즐 분사 공간에 공급되어, 유입된 스팀 플라즈마를 겉 플라즈마 화염으로 덮는다. 이에 의해, 속 플라즈마 화염과 겉 플라즈마 화염 사이에 스팀 플라즈마를 안정적으로 유입시키는 것이 가능하다.

그 다음, 모재(예를 들면, 냉도가니)에 양극 전원을 연결하면 스팀 플라즈마 가 유입된 비이송식 플라즈마 화염에서 비이송식 플라즈마 화염으로 전환된다.

도 3(a)는 도 2의 노즐 덮개부(D40)의 노즐 분사 공간을 확대해서 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 도 3(a)에서 형성된 플라즈마 화염의 A-A' 부분을 잘라 나타낸 횡단면도이다.

도 3에 나타낸 것 처럼, 상기 본 발명에 따른 플라즈마 토치에 의하면 플라즈마 화염 내로 스팀의 유입이 용이하고 안정적으로 이루어지게 되어 플라즈마 온도 상승 및 환원 분위기 조성에 대단히 우수한 성능을 발휘하게 된다.

도 3(a)에 나타낸 것 처럼, 상기 제2오리피스(D47)와 제3오리피스(D48)은 좌우 대칭되게 복수개 상기 수직 노즐 단부(D46)상에 각각 형성되는 것이 바람직한데, 이에 의할 때 도 3(b)에 나타낸 것처럼 플라즈마 아크 자체를 보다 안정화시키고, 보다 작은 영역에 열 에너지 흐름을 농축할 수 있으며, 뿐만아니라 플라즈마 화염내로 공기가 침투하는 것을 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 내부 덮개(D20)는 열에 의한 영향을 비교적 적게 받으므로 기본적으로 단열물질로 구성하고, 상기 외부 덮개(D30) 및 상기 노즐 덮개부(D40)는 열에 의한 영향을 비교적 많이 받으므로, 전도성 물질로 구성하여, 앞서 설명한 바처럼 냉각라인에 의해 충분한 냉각이 이루어지도록 한다.

스팀 플라즈마 토치(D)는 상기 UMG 실리콘으로 부터 얻어진 용탕(5) 표면에 반응성 가스, 즉 불순물의 휘발을 촉진시키는데 적합한 가스, 바람직하게는 산소와 수소의 혼합물을 공급하여 보론을 제거하기 위하여 진공 체임버(A) 내에 냉도가니(B)의 용융물의 상부에 설치되게 된다. 바람직하게는 산소와 수소의 혼합물은 정제된 고순도 물을 가스화시킴으로써 용이하게 공급할 수 있다. 이렇게 공급된 반응성 가스는 냉도가니(B)의 용탕(5) 내부에 형성되는 와류에 의해 용탕(5) 표면으로 확산되어 이동되는 불순물과 반응하여 불순물의 휘발을 돕게 된다.

보론(끓는점: 2820K)은 실리콘(끓는점: 2540K) 보다 휘발성이 적지만, 반응성 가스, 즉, 수소 또는 물을 첨가하게 되면 증기압에 의한 휘발성 혹은 화합물 형성에 의한 휘발성이 높아질 수 있다. 이러한 조건 하에서, 보론은 BHO(주로), BO 그리고 BH의 형태로 증발한다. 수소를 첨가하는 경우에는 수소이온의 영향으로 플라즈마 온도가 더 상승하여 BH 등의 화합물을 형성하여 휘발하고, 산소를 첨가하는 경우에는 BO, BO2 등의 산화물로 휘발하게 된다. 또한 H₂O를 첨가할 때는 가장 휘발성이 높은 BOH를 형성하기 때문에, 보론의 효과적인 제거를 위해서는 수소와 물을 필요로 하게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에서 플라즈마 반응성 가스의 종류에 보론 정련 비를 나타낸다. 도 4에서 알 수 있듯이, 같은 시간내에 수소 가스와 스팀이 아르곤 가스와 함께 추가적으로 주입됨에 따라 보론의 정련 효과가 현저히 증가됨을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에서 공급되는 플라즈마 반응성 가스의 전체량을 고정한 상태에서 공정 시간에 따른 정련 효과를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 공급되는 플라즈마 반응성 가스의 전체량을 일정하게 한 상태에서 공정 시간이 길어질수록 대체적으로 보론의 정련 효과가 저하된다.

도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에서 공정 시간에 따른 정련효과를 나타낸다(Ar 10L/min 기준). 도 5로부터 알 수 있듯이, 0.16 내지 10분 기간 동안은 공정 시간이 증가함에 따라 보론 정련 능이 향상되었지만, 10분이 경과하면 보론의 제거 비는 오히려 저하되었다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응성 가스의 유량에 따른 보론의 제거 비를 나타낸다(Ar 10L/min 기준). 도 6으로부터 알 수 있듯이, 보론의 농도는 초기 2.9ppmw에서 0.17ppmw로 감소되었다. 즉, 보론의 제거비는 약 94%에 달했다.

본 발명의 바람직한 실시예의 스팀 플라즈마 토치에서 UMG 실리콘의 정련효과를 최대한 끌어올리기 위해, 상기 제1오리피스와 상기 제3오리피스로 공급되는 상기 불활성 가스에 대한 상기 반응성 가스의 비율은 0.1 내지 10.0부피%로 하는 것이 바람직하다.

그 다음, 상기 진공 챔버(A) 내 냉도가니(B)로부터 발생되는 불순물 가스를 포집하여 제거하기 위한 불순물 포집 수단(F)이 배치된다. 바람직하게는, 상기 불순물 포집 수단(F)은, 상기 냉도가니(B)의 상방에 냉도가니(B)로부터 발생되는 불순물을 포함하는 진공 챔버 가스를 포획하기 위한 포획판(F1); 상기 포획판(F1)에 일단이 연결되어 상기 포획된 진공 챔버 가스를 상기 진공 챔버(A) 외부로 유출시키기 위한 유출관(F2); 상기 유출관의 타단에 연결되어 상기 진공 챔버 가스에서 가스 상태의 상기 불순물을 더스트(Dust)로 집진하기 위한 더스트 집진기(F3); 상기 더스트 집진기(F3)로부터 상기 진공 챔버 가스를 전달 받아 상기 진공 챔버 가스에서 미분 상태의 상기 불순물을 걸러 불순물을 정제하기 위한 필터(F4); 및 상기 불순물이 정제된 진공 챔버 가스를 진공 챔버(A) 내부로 유입시키기 위한 유입관(F5)를 포함한다. 바람직하게는, 더스트 집진기(F3)는 상기 더스트를 고상으로 냉각시키는 냉각 수단(F3a)을 포함한다. 바람직하게는 상기 불순물 포획판(F1) 상에 냉각을 위한 냉각 구조(F6)가 설치된다. 이러한 불순물 포집 수단(F)에 의해 챔버 내부에 잔류하는 가스 중 정련에 유용한 가스들은 그대로 유지하면서도 2차 오염의 원인이 되는 불순물만을 선택적으로 제거하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 UMG 실리콘의 정련 장치는 상기 스팀 플라즈마의 외부에서 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기(G)를 더 포함한다.

도 8에는 스팀 발생 효율을 높이기 위한 스팀 발생기(G)의 구성이 나타나 있다. 도 8에서, 실린더(G1)(예를 들면 재질: SUS-310, 직경: 100㎜ 그리고 길이 : 800㎜)의 일단의 입구(G2)(직경: 1/4인치)로 물펌프(G3)(예를 들면 용량: 0.3㎖ ~ 2280㎖)에 의해 물이 공급되고, 공급된 물은 실린더(G1)를 흐르는 동안 상기 실린더(G1)의 둘레를 따라 설치되는 세라믹 밴드 히터(G4)(밴드 히터의 용량: 750W×4(＜400℃))에 의해 가열되어, 실린더(G1)의 타단의 출구(G5)(직경 1/4인치)로 스팀을 배출한다. 세라믹 밴드 히터(G4)와 실린더(G1) 내부 온도를 측정하기 위한 온도 측정 장치(G7)에 콘트롤 박스(G6)가 연결되어, 실린더(G1) 내부 온도를 측정하여 세라믹 밴드 히터(G4)를 제어함으로써 실린더(G1) 내부를 일정한 온도(예를 들면 약 400℃) 상태로 유지할 수 있다. 바람직하게는 출구(G5)를 통해 스팀이 배출되기까지 스팀 상태를 유지하기 위해 가열 밴드(G8)에 의해 추가로 가열될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 상기 장치로 5분 동안 정련하였을 경우 반응성 가스인 Ar, H₂, H₂O의 첨가여부에 따른 실리콘으로부터의 보론 제거율을 나타내었다. 보론 양이 수 ppm정도의 UMG 실리콘을 원료로 하여 정련한 결과 태양전지급 실리콘에서 요구하는 수준인 0.1～0.3ppm 으로 보론의 제거가 가능함을 확인하였다. 또한 반응성 가스의 혼합에 따른 변화에서 Ar가스에 각각 H₂와 H₂O를 섞어 정련하는 것에 비해 동시에 H₂와 H₂O를 함께 넣은 경우에 보론 정련효과가 더 큰 것을 알 수 있다.

도 10는 본 발명에 따른 상기 장치로 UMG 실리콘을 원료로 하여 정련한 결과 정련시간에 따른 실리콘 중 보론의 잔존율을 나타내었다. 두 경우 모두 정련시간이 증가함에 따라 보론의 제거효과가 증가함을 보여준다. 또한 반응성 가스로 Ar과 H₂외에 H₂O를 추가로 혼합하여 넣은 경우가 정련시간이 증가함에 따라 보론 제거 효과가 더 크게 나타남을 알 수 있다. 이는 반응성 가스에 H₂O가 첨가함으로 보론이 반응성 가스인 수소의 영향뿐 아니라 BOH등의 휘발성이 강한 화합물을 형성하기 때문이다.

도 11은 반응성 가스로 H₂O를 첨가하였을 때 생성이 가능한 보론의 산화물들에 대하여 열역학 데이터를 토대로 계산한 자유에너지 그래프이다. 상기 장치로 실리콘을 정련시 플라즈마가 주사되는 영역에서 온도범위는 2000K～4000K 라고 생각할 때, 도 11에 따르면 2000K 이상의 온도범위에서 가장 안정한 보론의 화합물은 BOH임을 알 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 상기 장치로 반응성 가스의 변화에 따른 정련 후 실리콘 중 금속불순물의 양의 변화에 대한 그래프이다. 분석결과 Al, Ti 와 같은 금속 불순물 또한 반응성가스에 의한 화합물을 형성하여 휘발하게 된다. 분석결과 Al는 모두 휘발하여 모든 경우에서 검출이 되지 않았고 Ti 의 경우에는 스팀을 첨가 하였을 때 산화물로 휘발되어 수백 ppb까지 제거되었다. 이는 보론 이외의 금속불순물에 대해서도 역시 상기 장치가 정련효과를 가지고 있음을 나타낸다.

Claims

진공 챔버;
상기 진공 챔버 내에 배치되는 냉도가니;
상기 진공 챔버 내에 배치되고, 상기 냉도가니에 UMG 실리콘을 공급하는 수단;
상기 진공 챔버 내 상기 냉도가니의 상방에 배치되고, 반응성 가스를 불활성 가스에 의한 플라즈마 화염내에 유입시켜 형성된 스팀 플라즈마를 상기 냉도가니에 공급된 UMG 실리콘에 가하기 위한 스팀 플라즈마 토치;
상기 진공 챔버 내 냉도가니로부터 발생되는 불순물 가스를 포집하기 위한 불순물 포집 수단을 포함하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제1항에 있어서, 상기 불순물 포집 수단은 상기 냉도가니의 상방에 냉도가니로부터 발생되는 불순물을 포함하는 진공 챔버 가스를 포획하기 위한 포획판;
상기 포획판에 일단이 연결되어 상기 포획된 진공 챔버 가스를 상기 진공 챔버 외부로 유출시키기 위한 유출관;
상기 유출관의 타단에 연결되어 상기 진공 챔버 가스에서 가스 상태의 상기 불순물을 더스트로 집진하기 위한 더스트 집진기;
상기 더스트 집진기로부터 상기 진공 챔버 가스를 전달 받아 상기 진공 챔버 가스에서 미분 상태의 상기 불순물을 걸러 불순물을 정제하기 위한 필터; 및
상기 불순물이 정제된 진공 챔버 가스를 진공 챔버 내부로 유입시키기 위한 유입관을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제2항에 있어서, 상기 더스트 집진기는 상기 더스트를 고상으로 냉각시키는 냉각 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제2항에 있어서, 상기 불순물 포집 수단은 상기 불순물 포집판상에 냉각을 위한 냉각구조가 설치되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제1항에 있어서, 상기 스팀 플라즈마 토치는,
길이를 가지고 일측에 팁이 형성되며 음극 전원과 전기적으로 연결되는 전극봉;
상기 전극봉의 길이 방향으로 상기 전극봉을 둘러싸며, 상기 전극봉과의 사이에 제1 공간을 형성하고, 양극 전원과 전기적으로 연결되는 내부 덮개;
상기 길이 방향으로 상기 내부 덮개를 둘러싸며 상기 내부 덮개와의 사이에 제2 공간을 형성하는 외부 덮개; 및
상기 내부 덮개에 연결되며 상기 팁을 덮고 하단에 수평 노즐 단부가 형성되며, 상기 수평 노즐 단부에 제1오리피스가 형성되는 내부노즐 덮개와, 상기 외부 덮개에 연결되며 상기 수평 노즐 단부를 제외한 상기 내부 노즐 덮개를 덮고 상기 수평 노즐 단부에 수직한 수직 노즐 단부가 상기 수평 노즐 단부의 둘레를 따라 하단까지 형성되며, 상기 수직 노즐 단부에 제2오리피스와 제3오리피스가 상기 수평 노즐 단부를 기준으로 수직 방향으로 순서대로 형성되는 외부노즐 덮개를 갖는 노즐 덮개부를 포함하고,
상기 제1오리피스로는 상기 제1공간을 통해 플라즈마 발생을 위한 불활성 가스가 공급되고, 상기 제2오리피스로는 상기 제2 공간내에 설치되는 관을 통해 스팀 플라즈마를 형성하기 위한 반응성 가스가 공급되고, 상기 제3오리피스로는 상기 제2공간을 통해 플라즈마 형성을 위한 불활성 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2오리피스와 상기 제3오리피스는 각각 좌우 대칭되게 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 불활성 가스는 Ar인 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 반응성 가스는 H₂ 및 H₂O로 이루어지는 군으로부터 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 제1오리피스와 상기 제3오리피스로 공급되는 상기 불활성 가스에 대한 상기 반응성 가스의 비율은 0.1 내지 10부피%인 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 전극봉 내부에 냉각구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 냉도가니는 양극 전원에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제5항에 있어서, 상기 외부 덮개와 상기 노즐 덮개부를 따라 냉각 라인들이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제1항에 있어서, 상기 스팀 플라즈마의 외부에서 스팀을 공급하기 위한 스팀발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제1항에 있어서, 상기 냉도가니는, 상기 진공 챔버 내에 배치되고, 수직축을 가지며, 유도코일에 의해 둘러싸여 있으며, 상기 냉도가니는 수냉구조를 가지고 있으며, 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어지는 하부 개방형 냉도가니인 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.
제14항에 있어서, 상기 냉도가니는 둘레방향의 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 상단부로부터 하단부까지 세그먼트로 분할되는 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 스팀 플라즈마 토치를 이용한 UMG 실리콘의 정련 장치.