KR101329035B1 - 유동층 반응기 - Google Patents

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Abstract

실시예는 내부에 실리콘 입자를 포함하는 반응관; 상기 실리콘 입자에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부;및 상기 반응관 내부에 열을 공급하고, 내부의 히터 채널을 따라 불활성 가스가 연속적으로 흐르는 가열부를 포함하는 유동층 반응기를 제공한다.

Description

유동층 반응기{Fluidized Bed Reactor}
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것이다.
고순도 다결정 실리콘은 반도체 소자 또는 태양전지에 사용될 수 있는 소재로 널리 쓰이고 있다. 이러한 다결정 실리콘을 제조하기 위하여 실리콘을 함유 하는 반응가스의 열분해 및 수소 환원 반응으로 실리콘을 석출시키는 실리콘 석출 방법이 이용되고 있다.
다결정 실리콘의 대량 생산을 위해서는 실험실에서 사용되는 유동층 반응기에 비해 크기와 높이가 큰 유동층 반응기가 필요하다. 따라서 다결정 실리콘을 양산할 수 있는 유동층 반응기는 무게가 매우 무겁고 부피도 커서 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지보수에 어려움이 따른다.
이에 따라 조립, 설치 및 유지보수가 용이하면서 다결정 실리콘을 대량으로 생산할 수 있는 유동층 반응기에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이러한 유동층 반응기는 실리콘 석출공정 시 안정적으로 반응가스가 공급되어야 하며, 불순물에 의한 다결정 실리콘의 오염 가능성이 있는 만큼 오염을 방지할 수 있는 구조를 갖추어야 한다.
실시예는 반응가스를 안정적으로 공급할 수 있고, 실리콘 석출의 효율을 향상시킬 수 있는 유동층 반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 실시예는 실시콘 석출 공정시 불순물에 의한 다결정 실리콘의 오염을 방지할 수 있는 유동층 반응기를 제공하기 위한 것이다.
또한, 실시예는 다결정 실리콘의 대량 생산이 가능하고 조립, 설치 및 유지보수가 용이한 유동층 반응기를 제공하기 위한 것이다.
제 1실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 실리콘 입자를 포함하는 반응관; 상기 실리콘 입자에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부; 및 상기 반응관 내부에 열을 공급하고, 내부의 히터 채널을 따라 불활성 가스가 연속적으로 흐르는 가열부를 포함한다.
가열부는 히터와 히터를 감싸는 히터 캡을 포함하며, 히터 채널은 히터와 히터 캡의 이격된 공간에 의해 형성된다.
히터 캡은 쿼츠로 이루어질 수 있다.
불활성 가스는, 아르곤 또는 헬륨 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 히터의 물질은 그라파이트를 포함할 수 있다.
제 2실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 실리콘 입자를 포함하는 반응관; 및 내부의 반응가스 채널을 따라 상기 반응관 내부에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 공급하고, 상기 반응가스 채널을 둘러싸는 채널을 갖는 반응가스 공급부를 포함하고, 상기 채널은 불활성 가스가 연속적으로 흐른다.
반응관 내부에 열을 공급하고, 상기 채널에 흐르는 가스가 내부의 히터 채널을 따라 흐르는 가열부와 상기 반응가스 공급부와 상기 가열부를 고정시키는 플레이트를 더 포함할 수 있다.
채널은 제 1 채널과 상기 제 1 채널 연결된 제 2 채널을 포함하고, 제 1 채널과 제 2 채널에 흐르는 가스의 경로 방향은 서로 반대방향일 수 있다.
플레이트는 상기 반응가스 공급부의 채널과 상기 가열부의 히터채널이 서로 연통시키기 위한 연결채널을 가질 수 있다.
제 3 실시예에 따른 유동층 반응기는 내부 공간에서 실리콘 석출반응이 일어나는 반응관; 및 상기 내부 공간에 실리콘 원소를 함유하는 반응가스를 공급하고, 상기반응관 내에서의 실리콘 석출온도보다 낮은 온도로 유지되는 반응가스 공급부를 포함한다.
반응가스 공급부는 둘레 전체에 불활성 가스가 연속적으로 공급될 수있다.
제 4 실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 실리콘 입자를 포함하는 반응관; 및 반응가스 채널을 따라 상기 반응관 내부에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 공급하고, 상기 반응가스 채널을 둘러싸는 채널을 포함하는 반응가스 공급부를 포함하고, 상기 채널에 불활성 가스가 공급되어 상기 반응가스 채널에서의 반응가스의 압력이 일정하게 유지된다.
반응관 내부에 열을 공급하고, 상기 채널에 흐르는 가스가 내부의 히터 채널을 따라 흐르는 가열부를 더 포함할 수 있다.
가열부는 히터와 상기 히터를 감싸는 히터 캡을 포함하며, 상기 히터 채널은 상기 히터와 상기 히터 캡의 이격된 공간에 의해 형성될 수 있다.
실시예는 반응가스를 안정적으로 공급할 수 있고, 실리콘 석출의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예는 실리콘 석출 공정시 불순물에 의한 다결정 실리콘의 오염을 방지할 수 있다.
실시예는 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지보수 등이 용이하고, 조립 과정에 수반되는 반응관 내로의 구형 석영 비드의 충진을 육안으로 충진 상태를 확인하면서 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 실시예는 유동층 반응기의 저면부를 여러 층의 플레이트로 구성하여 다결정 실리콘의 오염방지, 조립, 설치 및 유지 보수를 용이하게 할 수 있는 장점이 있다..
또한, 실시예는 석영 플레이트를 다층으로 구성된 각각의 플레이트 내에서도 각 플레이트를 구성하는 단편들의 경계부를 서로 엇갈리게 배열하여 제조되는 다결정 실리콘의 오염을 방지하고 조립, 설치 및 유지 보수를 간단하게 할 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예는 유동층 반응기의 고압 반응 도중 유동가스공급노즐이 압력을 못 이겨 자리 이탈하는 사고를 방지하여 유동층 반응기의 안정된 운전이 가능하다.
또한, 실시예는 유동층 반응기의 반응관 내부를 가열하기 위해 설치되는 히터를 유동층 반응기 저면부에 미리 착설한 고정부에 끼워 조립할 수 있으므로 조립, 설치 및 유지 보수에 있어서 매우 간편하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 반응가스 공급부를나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로, 유동층 반응기의 가열부 및 저면부를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로, 플레이트에 형성된 연결채널을 나타낸 도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기(500)는 헤드(100), 제1 몸체부(200), 제2 몸체부(300) 및 저면부(400)를 포함한다.
헤드(100)는 제1 몸체부(200)와 연결되며 제1 몸체부(200)의 제1 반응관(250)의 직경보다 큰 직경을 지닌다. 유동층 반응기(500) 내의 가스 및 미세입자가 제1 반응관(250)으로부터 헤드(100)를 지날 때 직경 증가로 인하여 가스 및 미세입자의 유속이 감소한다. 이에 따라 배출되는 가스 혹은 미세입자들의 후처리 부담이 줄어들 수 있다. 헤드(100)의 내벽은 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 헤드(100)의 내벽은 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 지르코니아, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한 헤드(100)의 외벽에 대한 냉각이 가능할 경우 헤드(100)의 내벽에 유기고분자를 이용한 코팅 또는 라이닝 중 적어도 하나가 이루어질 수 있다.
헤드(100)의 내벽이 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소와 같은 탄소함유 재료로 이루어진 경우, 다결정 실리콘이 탄소 불순물에 의하여 오염될 수 있으므로, 다결정 실리콘이 접촉할 수 있는 헤드(100)의 내벽은 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등과 같은 재료로 코팅되거나 라이닝될 수 있다. 예를 들어, 헤드(100)는 복수의 부분 헤드들(100a, 100b)를 포함할 수 있으며, 제1 부분 헤드(100a)의 내면에 라이닝막(미도시)이 위치할 수 있다.
제1 몸체부(200)는 헤드(100)의 아래에 위치하여 헤드(100)와 연결되며 다결정 실리콘 석출 반응이 일어나는 공간을 제공한다.
제2 몸체부(300)는 제1 몸체부(200)의 아래에 위치하여 제1 몸체부(200)와 연결되며 제1 몸체부(200)와 더불어 다결정 실리콘 석출 반응 또는 가열 반응 중 적어도 하나가 일어나는 공간을 제공한다.
이러한, 제 1 몸체부(200)와 제 2 몸체부(300)는 독립적으로 따로 이루어져 서로 결합되어 반응 공간을 제공하지만, 제 1 몸체부(200)와 제 2 몸체부(300)가 하나의 몸체로 이루어지는 일체형으로 만들어질 수 있다.
저면부(400)는 제2 몸체부(300)의 아래에 위치하여 제2 몸체부(300)와 연결되며 다결정 실리콘 석출을 위한 각종 노즐 공급부들, 히터(700), 전극(800) 등이 조립된다.
이 때 헤드(100), 제1 몸체부(200) 및 제2 몸체부(300)는 탄소강, 스테인리스강, 기타 합금강 등 기계 강도가 우수하고 가공이 용이한 금속재료로 이루어질 수 있다. 이와 같은 재질로 이루어지는 제1 몸체부(200) 및 제2 몸체부(300)의 보호막은 금속, 유기고분자, 세라믹, 또는 석영 등으로 이루어질 수 있다.
헤드(100), 제1 몸체부(200) 및 제2 몸체부(300)의 조립시 반응기의 내부를 외부 공간으로부터 차단하기 위하여 가스켓(gasket) 또는 실링재(sealing material)가 이용될 수 있다. 제1 몸체부(200)와 제2 몸체부(300)는 원통형 파이프, 플랜지, 튜브 및 피팅(fitting), 판(plate), 원추, 타원 또는 이중벽 사이로 냉각매체가 흐르는 재킷(jacket) 등과 같이 다양한 형태를 지닐 수 있다.
또한 헤드(100), 제1 몸체부(200) 및 제2 몸체부(300)가 금속재질로 이루어진 경우 그 내부 표면에 보호막이 코팅되거나 보호관 또는 보호벽이 추가로 설치될 수 있다. 보호막, 보호관 또는 보호벽은 금속재질로 이루어질 수 있으나 반응기 내부의 오염을 막기 위해 유기고분자, 세라믹, 석영 등과 같은 비금속 재료가 코팅되거나 라이닝될 수 있다.
제1 몸체부(200)와 제2 몸체부(300)는 열팽창 방지, 작업자 보호, 기타 사고 방지 등의 목적으로 물, 오일, 가스, 공기 등과 같은 냉각유체에 의하여 일정 온도범위 이하로 유지될 수 있다. 냉각이 필요한 제1 몸체부(200)와 제2 몸체부(300)의 요소들의 내부 혹은 외벽에 냉각 유체의 순환이 가능하도록 제작될 수 있다. 한편, 제1 몸체부(200)와 제2 몸체부(300)의 외부 표면에 작업자 보호 및 과다한 열손실 방지를 위하여 단열재가 설치될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 다결정 실리콘의 대량 생산을 위하여 유동층 반응기의 크기 및 높이가 증가할 경우 유동층 반응기의 조립 설치 및 유지보수가 어려울 수 있다. 즉, 유동층 반응기가 크기가 크고 높이가 높으며 무게가 무거운 하나의 몸체부와 반응관을 포함할 경우 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지보수시 몸체부의 취급이 어려워져 몸체부와 노즐이나 반응관이 부딪혀 파손될 수 있다. 반면에 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기는 복수의 몸체부들(200, 300)과 반응관들(250, 350)을 포함하므로 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지 보수가 용이하게 이루어질 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 조립 과정에 대해 상세히 설명한다.
제1 몸체부(200) 안에 제1 반응관(250)이 삽입된다. 제1 반응관(250)은 제1 몸체부(200)에 삽입된다. 제2 몸체부(300) 안에 제2 반응관(350)이 삽입되고, 제2 몸체부(300)의 하단을 밀폐하기 위한 저면부(400)에 각종 노즐들, 전극(800) 및 가열부(700)가 조립된다. 제2 반응관(350)이 삽입된 제2 몸체부(300)에 저면부(400)가 연결된다. 이후 제1 몸체부(200)와 제2 몸체부(300)가 서로 연결되고 연장 헤드(100)가 제1 몸체부(200)에 연결된다.
저면부(400)에 조립되는 각종 가스 공급부는 유동가스공급부(600) 및 반응가스공급부(650)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 반응관(250, 350)은 튜브 형태이거나, 튜브, 원추 및 타원 부분들을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 제1 및 제2 반응관(250, 350)의 끝 부분은 플랜지형으로 가공될 수 있다, 제1 및 제2 반응관(250, 350)은 다수의 부분들로 이루어질 수 있고 이러한 부분들의 일부가 제1 몸체부(200) 및 제2 몸체부(300)의 내벽면에 라이너(liner)와 같은 형태로 설치될 수도 있다.
제1 및 제2 반응관(250, 350)의 재질은 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료로 이루어질 수 있으며, 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 지르코니아, 이트리아, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 또는 이러한 재료가 혼합된 복합체 등과 같은 무기재료로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 반응관(250, 350)이 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재질로 이루어진 경우, 탄소함유 재질은 다결정 실리콘을 오염시킬 수 있으므로, 다결정 실리콘이 접촉할 수 있는 반응관의 내벽면은 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등으로 코팅 또는 라이닝 될 수 있다.
유동가스공급부(600)는 반응관 내의 실리콘 입자를 유동시키는 유동 가스를 공급한다. 반응관 내에 위치하는 실리콘 입자의 일부 또는 전부는 유동가스에 의하여 유동한다. 이 때 유동가스는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨, 염화수소(HCl), 사염화실란(SiCl4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 유동가스공급부(600)는 반응관으로 사용될 수 있는 무기재질 성분으로 이루어진 튜브, 라이너 또는 성형품일 수 있다.반응가스공급부(650)는 실리콘 입자층에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 공급한다. 반응가스는 다결정 실리콘의 석출에 사용되는 원료가스로서 실리콘원소 성분을 포함한다. 반응가스는 모노실란(SiH4), 디실란(disilane : Si2H6), 고차 실란(SinH2n +2, n은 3 이상의 자연수), 이염화실란(DCS : SiH2Cl2), 삼염화실란 (TCS : SiHCl3), 사염화실란(STC : SiCl4), 디브로모실란(SiH2Br2), 트리브로모실란(SiHBr3), silicontetrabromide(SiBr4), diiodosilane(SiH2I2), triiodosilane(SiHI3), silicontetraiodide(SiI4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 때 반응가스는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨, 또는 염화수소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 반응가스의 공급에 따라 0.1 내지 2 mm정도인 다결정 실리콘 종입자의 표면에 다결정 실리콘이 석출되어 다결정 실리콘 종입자의 크기가 증가한다. 다결정 실리콘 종입자의 크기가 일정 정도 증가하면 유동층 반응기의 외부로 방출된다.
한편, 반응가스 공급부(650)는 반응가스가 흐르는 반응가스 채널(L)의 둘레에 형성된 채널(C)을 포함하고, 이러한 채널(C)은 반응가스보다 낮은 온도를 지닌 불활성 가스가 흐르게 된다. 또한, 도시된 바와 같이, 반응가스 공급부는 채널(C)에 불활성 가스를 주입하기 위한 주입구(160)를 포함한다.
상기 불활성 가스가 반응가스 공급부의 둘레에 형성된 채널(C)을 따라 흘러 연통된 히터 채널(미도시)에 공급되고, 히터 채널에 공급된 불활성 가스는 히터 주변을 흐른 후 배출구(170)를 통하여 외부로 배출된다.가열부(700)는 유동층 반응기(500)의 내부에 다결정 실리콘 입자의 표면에서 실리콘 석출 반응이 일어나기 위한 열을 공급한다. 실시예에서 실리콘 석출 반응을 위하여 반응관(250) 내부로 공급된 열에 의하여 실리콘 석출 반응이 일어날 수도 있다. 가열부(700)는 저항체를 포함하여 전기를 공급받음으로써 열을 공급할 수 있다. 히터(700)는 그라파이트 (graphite), 탄화 규소와 같은 세라믹, 또는 금속 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
각 가스 공급부(600, 650) 즉, 각종 노즐들, 전극(800) 및 가열부(700) 등은 저면부(400)를 구성하는 플레이트들(410 내지 440)과 함께 조립된다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 저면부(400)는 기저 플레이트(410)와, 제1 내지 제3 플레이트(420, 430, 440)을 포함한다.
기저 플레이트(410)는 제2 몸체부(300)와 연결되고 유동가스공급부 및 반응가스공급부와 조립된다. 기저 플레이트(410)는 탄소강, 스테인리스강, 기타 합금강 등 기계 강도가 우수하고 가공이 용이한 금속재료로 이루어질 수 있다. 제1 플레이트(420)는 기저 플레이트(410) 상에 위치하여 기저 플레이트(410)를 절연시킨다. 이에 따라 제1 플레이트(420)는 쿼츠(quartz)와 같이 고온에서 견딜 수 있고 절연성을 지니면서도 석출되는 다결정 실리콘을 오염시키지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 플레이트(420)는 쿼츠 이외에 질화규소, 알루미나, 이트리아 등의 고온에서의 내열성을 갖는 세라믹 물질로 이루어질 수 있으며, 경우에 따라서는 이와 같은 세라믹 물질로 제1 플레이트(420)의 표면이 코팅되거나 라이닝될 수 있다.
제2 플레이트(430)는 제1 플레이트(420) 상에 위치하며, 가열부(700)와 접촉하여 가열부(700)에 전기를 공급한다. 이에 따라 제2 플레이트(430)는 그라파이트, 실리콘카바이드가 코팅된 그라파이트, 실리콘카바이드, 질화규소가 코팅된 그라파이트와 같은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430) 사이에는 절연특성을 가지고 있는 제1 플레이트(420)가 위치하므로 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)는 서로 절연된다. 제2 플레이트(430)가 가열부(700)와 접촉하므로 제2 플레이트(430)에서 열이 발생할 수 있으나 제2 플레이트(430)에서 전류가 흐르는 단면적이 가열부(700)에 비하여 매우 크므로 제2 플레이트(430)에서 발생하는 열은 가열부(700)에서 발생하는 열에 비하여 매우 작다. 또한 제2 플레이트(430)에서 발생하는 접촉저항에 따른 열 발생을 줄이기 위해 연설이 우수한 그라파이트 시트(sheet)가 제2 플레이트(430)와 가열부(700) 사이에 삽입될 수도 있다.
기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)가 도전성을 지닐 경우 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)의 접촉에 의하여 기저 플레이트(410)로 흐르는 누설 전류가 발생할 수 있다. 이에 따라 도시된 바와 같이 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)의 끝단은 소정 거리만큼 이격되어 있다.
즉, 제1 플레이트(420)에는 제2 플레이트(430)가 안착될 수 있는 홈이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(420)에는 제2 플레이트(430)의 길이(L)와 같거나 큰 홈이 형성되어 제2 플레이트(430)가 제1 플레이트(420)의 홈 안에 안착될 수 있다. 이에 따라 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)의 끝단 사이에 제1 플레이트(420)의 일부분이 위치할 수 있으므로 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430) 사이의 절연이 유지될 수 있다.
도시된 바와 같이 제1 플레이트(420)에 의하여 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)가 절연될 수 있고, 제2 플레이트(430)의 둘레를 감싸는 절연링(900)이 설치됨으로써 기저 플레이트(410)와 제2 플레이트(430)가 절연될 수도 있다. 이 때 절연링(900)은 쿼츠, 세라믹으로 이루어질 수 있다.
제3 플레이트(440)는 제2 플레이트(430) 상에 위치하여 제1 반응관(250) 및 제2 반응관(350) 내부에서 석출된 다결정 실리콘이 제2 플레이트(430)에 의하여 오염되는 것을 방지한다. 이에 따라 제3 플레이트(440)는 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료로 이루어질 수 있으며, 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 지르코니아, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 또는 이러한 재료가 혼합된 복합체 등과 같은 무기재료로 이루어질 수 있다. 제3 플레이트(440)가 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재질로 이루어진 경우, 탄소함유 재질은 다결정 실리콘을 오염시킬 수 있으므로, 제3 플레이트(440)의 표면은 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등으로 코팅 또는 라이닝될 수 있다.
또한, 저면부(400)의 제2 플레이트(430)와 제3 플레이트(440)는 하나의 몸체가 아니라 여러 개의 단편들을 포함하므로 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지보수가 용이해진다. 즉, 다결정 실리콘의 대량 생산을 위한 유동층 반응기의 크기가 증가하므로 제2 플레이트(430)와 제3 플레이트(440)가 하나의 몸체로 이루어진 경우 유동층 반응기의 조립, 설치 및 유지보수가 어려워질 수 있다. 예를 들어, 제3 플레이트(440)는 동심원 방향과 지름 방향으로 잘려진 단편들로 구성될 수 있다. 또한 제3 플레이트(440)은 크기가 다른 링 형태의 단편들로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 플레이트들과 히터의 조립 구조는 기저 플레이트(410), 제1 플레이트(420), 제2 플레이트(430) 및 제3 플레이트(440)를 관통하는 고정 수단에 의하여 기저 플레이트(410), 제1 플레이트(420), 제2 플레이트(430) 및 제3 플레이트(440)가 고정될 수 있다.
저면부(400)에 포함된 복수의 플레이트들(410 내지 440)은 복수의 플레이트들(410 내지 440)을 관통하여 고정 수단에 의하여 고정된다. 이와 같은 고정 수단은 제1 반응관(250) 및 제2 반응관(350) 내부에서 형성되는 다결정 실리콘의 오염을 방지하기 위하여 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료로 이루어질 수 있으며, 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 지르코니아, 실리콘, 또는 이러한 재료가 혼합된 복합체 등과 같은 무기재료로 이루어질 수 있다. 고정 수단이 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재질로 이루어진 경우, 탄소함유 재질로 인한 다결정 실리콘의 오염 방지를 위하여 고정 수단의 표면은 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등으로 코팅 또는 라이닝되거나 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소으로 이루어진 캡이 고정 수단에 씌워질 수 있다. 고정 수단은 복수의 플레이트들(410 내지 440)과 나사 조립된다.
한편, 가열부(700)부는 열이 방출하는 히터(710)와 히터(710)와 공간을 갖고 상기 히터를 감싸는 히터 캡(730)을 포함한다. 이러한 가열부(700)는 고정부가 착설된 저면부(400)와 조립된다. 핀이나 클립같은 고정부는 저면부(400)의 플레이트들 중 가열부(700)와 연결되는 제2 플레이트(430)에 형성된 천공부에 조립된다. 가열부(700)에는 고정부가 삽입되는 홈들이 형성되며, 제조자 또는 사용자가 가열부(700)를 고정부에 압입하여 가열부(700)를 저면부(400)에 고정할 수 있다. 따라서 가열부(700)의 조립에는 나사 볼트 등의 체결이 필요 없으므로 가열부(700)의 조립이 간단하게 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 가열부(700)는 U자 형상을 지니므로 하나의 가열부(700)마다 2 개의 고정부가 필요하나 가열부(700)의 형상에 따라 고정부의 개수는 변할 수 있다. 고정부는 그라파이트나 금속재질과 같이 전기전도성과 연성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
제2 플레이트(430)는 복수의 단위 플레이트들을 포함하며, 가열부(700)의 하부는 서로 인접한 단위 플레이트들과 접촉함으로써 제2 플레이트(430)의 단위 플레이트들을 통하여 전기를 공급받는다. 이 때 가열부(700)가 저면부(400)에 연결되는 부분인 가열부(700)의 하부에 형성된 돌출부는 제3 플레이트(440)에 걸림으로써 가열부(700)의 고정이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다. 인접한 단위 플레이트들은 서로 절연되어 있다. 예를 들어, 가열부(700)의 하부와 접촉하는 제2 플레이트(430)의 단위 플레이트들 사이에는 절연체가 위치할 수 있다. 절연체는 가열부(700)의 하부와 접촉하는 단위 플레이트들 사이를 절연시켜 누설 전류의 발생을 방지한다. 단위 플레이트들에 대해서는 이후에 보다 상세하게 설명된다. 본 발명의 실시예에서 가열부(700)는 단위 부피 당 넓은 표면적을 가짐으로써 가열 효율을 높이기 위해 가열부(700)의 표면에 주름이 형성될 수 있다. 표면적을 넓혀 가열효율을 높이기 위해 주름 이외에 가열부(700)의 표면에 다양한 형상의 돌기 혹은 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라 가열부(700)의 표면에 주름, 돌기 또는 패턴 중 적어도 하나가 형성될 수 있다.
가열부는 가열부(700)의 보호와, 히터(710)에 의한 다결정 실리콘의 오염을 방지하기 위하여 히터 캡(730)이 히터(710)의 외부를 감싸서 히터(710)가 노출되지 않도록 한다.
이와 같은 히터캡의 역할을 수행하기 위하여 히터캡은 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료로 이루어질 수 있으며, 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 지르코니아, 이트리아,, 실리콘, 또는 이러한 재료가 혼합된 복합체 등과 같은 무기재료로 이루어질 수 있다. 히터캡이 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재질로 이루어진 경우, 탄소함유 재질로 인한 다결정 실리콘의 오염 방지를 위하여 히터캡의 표면은 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등으로 코팅 또는 라이닝될 수 있다.
히터캡(730)의 하부에는 걸림턱이 형성되며 히터캡의 걸림턱은 제3 플레이트(440)의 복수의 단위 플레이트들 사이에 걸린다.
본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기는 2개의 전극들(800)과 연결된 히터 그룹을 포함하며, 히터 그룹들이 소비하는 전력량들은 동일할 수 있다. 전극(800)은 흑연, 탄화규소, 금속재질, 또는 이들의 복합물로 이루어질 수 있다. 전극(800)의 형태는 케이블, 봉, 막대, 성형물, 컨센트, 결합기, 바(bar), 편조선이나 이들의 조합일 수 있다. 이 때 하나의 전극(800)에는 두 개의 히터 그룹이 연결된다. 이에 따라 n 개(n은 2 이상의 자연수)의 히터 그룹들의 경우 유동층 반응기는 n 개의 전극(800)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 히터 그룹들의 전기 저항들은 서로 같을 수 있다. 즉, 각 히터 그룹이 포함하는 히터(710)의 개수는 일정하고, 히터 그룹들이 포함하는 히터들(710)의 저항은 서로 같을 수 있다. 각 히터 그룹이 포함하는 히터(710)의 개수가 서로 같을 경우 유동층 반응기(500)의 조립, 설치 및 유지보수가 용이해질 수 있다. 히터 그룹를 구성하는 히터들(710)의 저항이 서로 다르더라도 복수의 히터 그룹들 각각의 저항이 서로 같아지도록 히터들(710)이 배열되면 복수의 히터 그룹들이 소비하는 전력량이 서로 같게 되어 유동층 반응기(500)의 내부에 균일한 열이 공급될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 다결정 실리콘 제품의 대량 생산을 위하여 유동층 반응기가 커질수록 유동층 반응기(500)의 내부 영역도 커진다. 이에 따라 복수의 히터 그룹들은 유동층 반응기(500)의 내부 영역에 균일하게 열을 공급해야 한다. 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 히터 그룹들은 유동층 반응기 내부 영역 전체를 균일하게 가열할 수 있으므로 양질의 다결정 실리콘 제품을 대량 생산할 수 있다.
복수의 히터 그룹 각각은 서로 다른 상을 지닌 전원을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기가 3개의 히터 그룹을 포함할 경우, 각 히터 그룹은 3상 전원을 공급받을 수 있다. 이 때 각 상의 위상차는 120° 일 수 있다.
또한 각 히터 그룹이 서로 동일한 전력량을 소비하도록 히터 그룹들에 공급되는 전원들이 독립적으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 각 히터 그룹의 전기 저항이 다르거나 동일한 전력공급이 어려울 경우 히터 그룹들이 서로 동일한 전력량을 소비하도록 서로 다른 크기의 단상 전원이 각 히터 그룹에 공급될 수 있다.
다상 전원이 공급될 경우 인접한 히터 그룹들은 전극(800)을 공유할 수 있으나, 단상 전원이 공급될 경우 하나의 히터 그룹은 다른 히터 그룹과 공유지하지 않는 2개의 전극(800)과 연결될 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 가열부(700)는 절연체에 의하여 서로 절연된 단위 플레이트들과 접촉한다. 예를 들어, 가열부(700)의 한쪽 단은 하나의 단위 플레이트에 연결되고 가열부(700)의 다른쪽 단은 다른 하나의 단위 플레이트에 연결된다. 이에 따라 히터 그룹의 가열부들(700)은 직렬 연결될 수 있다.
제2 플레이트(430)의 단위 플레이트는 가열부(700)와 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 가열부(700)와 단위 플레이트의 재질에 대해서는 앞서 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기의 반응가스 공급부를나타낸 도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응가스 공급부(650)는 반응가스가 흐르는 반응가스 채널(L)의 둘레에 반응가스보다 낮은 온도를 지닌 불활성 가스나 실리콘 석출반응이 쉽게 일어나지 않은 가스가 공급되는 채널(C)를 포함하고, 상기 채널(C)은 제 1채널(A)과, 제1 채널(A)과 연결된 제2 채널(B)를 포함한다.
불활성 가스는 아르곤, 헬륨 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
불활성 가스는 반응가스 공급부(650)의 주입구(160)을 통하여 외부로부터 제1 채널(A)로 유입된다. 불활성 가스는 제 1 채널(A)과 연결된 제2 채널(B)을 통해 흐르면서 상기 반응가스 공급부 전체를 냉각시킨다.
이때, 반응가스 공급부(650)의 주입구(160)에 유입된 불활성 가스는 반응가스 공급부의 하부에서부터 제 1 채널(A)를 따라 상기 반응가스의 공급부의 상부방향으로 흐르고, 반응가스 공급부의 상부에서 다시 제 2 채널(B)를 따라 반응가스 공급부의 하부방향으로 이동할 수 있다.
한편, 반응가스가 반응가스 공급부(650)을 통하여 반응관(250) 내부로 공급될 때 반응가스의 온도는 실리콘이 석출될 수 있는 온도 이하이지만, 반응가스 공급부(650) 자체가 히터(700)와 인접하여 위치하므로 반응가스 공급부(650)의 온도는 실리콘 석출이 일어나는 온도와 유사하게 될 수 있다.
이에 따라 반응가스 공급부(650)의 표면이나 반응가스 채널(L)에서 실리콘 석출반응이 일어날 수 있다. 이러한 석출된 실리콘은 반응가스 공급부를 통한 반응가스의 공급을 방해할 수 있다.
따라서, 실리콘 석출온도 이하의 온도를 갖는 불활성 가스로 반응가스 공급부(650)을 냉각시켜 반응가스 공급부(650)의 표면에서 실리콘 석출이 일어나지 않도록 한다. 즉, 반응 가스 공급부는 상기 불활성 가스로 인해 반응관내의 실리콘 석출온도보다 낮은 온도로 유지된다.
또한, 반응가스 공급부를 둘러싼 제 1 채널과 제 2 채널에 불활성 가스를 공급하여 반응가스 채널 내부에서 실리콘 석출이 일어나는 것을 방지하여 실질적으로 반응가스 공급부에서의 반응가스 공급 압력이 일정하게 유지된다. 이에 따라 일정한 양의 반응가스가 지속적으로 공급되므로 실리콘 석출 반응이 안정적이며, 연속적으로 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 반응가스 공급부(650)은 제1 채널(A), 제2 채널(B) 및 반응가스 채널(L)으로 이루어진 3중 동축관일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로, 유동층 반응기의 가열부 및 저면부를 나타낸 도이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 가열부(700)는 히터(710)와 공간을 두고 상기 히터(710)를 둘러싼 히터 캡(730)을 포함한다. 상기 히터와 히터 캡에 의해 형성된 공간은 히터 채널(HC)을 형성한다.
제 2 채널(B)에서 배출된 불활성 가스는 제 2 플레이트(430)에 형성된 연결채널(CC)을 따라 이동하고, 상기 연결채널(CC)과 공간적으로 연결된 히터 채널(HC)의 일측에 공급되어 전체 히터(710)를 둘러 싸면서 흐른다. 이후, 히터 채널(HC)의 타측에서 배출된 불활성 가스가 연결채널(CC)과 공간적으로 연결된 배출구(170)를 통해 외부로 배출된다.
이에 따라, 반응관 내부의 다결정 실리콘이 히터를 구성하는 물질에 의해 오염되는 것을 방지하게 된다.
즉, 히터는 전기의 공급에 의하여 열을 발생시키면, 히터를 구성하는 대표적인 물질은 그라 파이트(graphite)이다. 이러한 그라 파이트는 다결정 실리콘을 오염시킬 수 있기 때문에, 불활성 가스가 히터 주변으로 공급하여 반응관 내에서의 오염이 일어나는 것을 차단한다.또한, 고온의 수소는 탄소와 반응하여 다양한 탄화수소 오염물질을 발생할 수 있는데, 히터채널(HC)에 불활성 가스를 공급하여 탄소와 고온의 수소가 접촉하는 것을 차단하여 오염물질 발생을 막고 히터의 구성물질인 탄소의 손실을 억제하여 탄소로 구성된 히터의 경우 히터 수명을 연장시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로, 플레이트에 형성된 연결채널을 나타낸 도이다.
도시된 바와 같이, 연결채널(CC)은 제 2 플레이트(430)에 형성되지만, 저면부를 구성하는 기저 플레이트(410), 제 1 플레이트(420) 및 제 3 플레이트(440) 중 어느 한 플레이트에 형성될 수 있다.
상기 연결 채널(CC)은 반응가스 공급부의 채 2 채널과 공간적으로 연결된 것으로, 연결 채널(CC)은 반응가스 공급부(650)의 중심으로부터 방사선 방향으로 형성된 제 1연결 채널(CC1)과 상기 제 1 연결 채널과 교차하는 제 2 연결 채널(CC2)을 포함할 수 있다.
제 1 연결 채널과 제 2 연결 채널은 서로 폐 공간적으로 연결된다. 이에 따라 불활성 가스가 연결 채널들을 통해 히터 채널들 내부에 전체적으로 균일하게 공급된다.
플레이트에 형성된 연결 채널의 구조는 동심원 연결 채널과 방사선 연결 채널로 나타냈지만, 가열부의 히터 채널에 전체적으로 균일하게 공급될 수 있으면 어느 구조이든 적용 가능하다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 연장 헤드 200: 제1 몸체부
250: 제1 반응관 300: 제2 몸체부
400: 저면부 410: 기저 플레이트
420: 제1 플레이트 430: 제2 플레이트
440: 제3 플레이트 600: 유동가스공급부
650: 반응가스공급부

Claims (14)

  1. 내부에 실리콘 입자를 포함하는 반응관;
    내부의 반응가스 채널을 따라 상기 반응관 내부에 실리콘원소를 함유하는 반응가스를 상기 실리콘 입자에 공급하고, 상기 반응가스 채널을 둘러싸는 채널을 갖는 반응가스 공급부; 및
    상기 반응관 내부에 열을 공급하고, 내부의 히터 채널을 따라 불활성 가스가 연속적으로 흐르는 가열부를 포함하며,
    상기 채널은 제 1 채널과 상기 제 1 채널 연결된 제 2 채널을 포함하고,
    상기 제 1 채널과 제 2 채널에 흐르는 가스의 경로 방향은 서로 반대방향인 유동층 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 히터와 상기 히터를 감싸는 히터 캡을 포함하며,
    상기 히터 채널은 상기 히터와 상기 히터 캡의 이격된 공간에 의해 형성되는 유동층 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히터 캡은 쿼츠로 이루어진 유동층 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스는, 아르곤 또는 헬륨 중 적어도 하나를 포함하는 유동층 반응기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 히터의 물질은 그라파이트를 포함하는 유동층 반응기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응관 내부에 열을 공급하고, 상기 채널에 흐르는 가스가 내부의 히터 채널을 따라 흐르는 가열부와
    상기 반응가스 공급부와 상기 가열부를 고정시키는 플레이트를 더포함하는 유동층 반응기.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 반응가스 공급부의 채널과 상기 가열부의 히터채널이 서로 연통시키기 위한 연결채널을 갖는 유동층 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응관의 내부 공간에서 실리콘 석출반응이 일어나며,
    상기 반응가스 공급부의 온도는 상기 반응관 내에서의 실리콘 석출온도보다 낮은 온도로 유지되는 유동층 반응기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 반응가스 공급부는 둘레 전체에 불활성 가스가 연속적으로 공급되는 유동층 반응기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 채널에 불활성 가스가 공급되어 상기 반응가스 채널에서의 반응가스의 압력이 일정하게 유지되는 유동층 반응기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 반응관 내부에 열을 공급하고, 상기 채널에 흐르는 가스가 내부의 히터 채널을 따라 흐르는 가열부를 더 포함하는 유동층 반응기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 가열부는 히터와 상기 히터를 감싸는 히터 캡을 포함하며,
    상기 히터 채널은 상기 히터와 상기 히터 캡의 이격된 공간에 의해 형성되는 유동층 반응기.
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