KR101396478B1 - 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치 - Google Patents

경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치에 관한 것으로서, 상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 진공 분위기를 유지하는 진공챔버, 상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부, 입자형태의 실리콘원료가 장입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부, 하부에 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 상기 실리콘용탕을 응고시키는 냉각채널이 형성되며 동일한 단면적을 가지는 용탕투입부 및 상기 용탕투입부의 하부에 연결되며 하부방향의 단면적이 증가하도록 경사지게 형성된 용탕안내부를 포함하는 일방향응고부 및 상기 일방향응고부 내부에 구비되는 실리콘버튼 및 상기 실리콘버튼 하면에 접합되어 상기 실리콘버튼을 이동시키는 더미바를 가지는 스타트블럭을 포함한다.

Description

경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치{Poly Silicon Manufacturing Apparatus Using Sloped One-Way Coagulation Part}
본 발명은 일방향응고를 통해 폴리실리콘을 제조하는 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 일방향응고부가 응고되는 실리콘용탕의 팽창에 의해 파손되는 것을 방지하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체용이나 태양전지용 웨이퍼로 사용되는 실리콘의 경우, 자연상태의 규석(SiO2)과 코크스 등의 탄소환원제를 아크(arc) 등을 이용하여 고온에서 반응시키는 열탄소환원법에 의해 얻어지게 된다. 그러나, 이때 얻어진 실리콘은 다량의 불순물들을 함유하고 있고 약 99% 정도의 순도를 갖게 되므로, 추가적인 정련과정을 거쳐야만 반도체용 웨이퍼(순도 99.99999999%(10N) 이상)나 태양전지용 웨이퍼(순도 99.9999%(6N) 이상)로 사용할 수 있게 된다.
실리콘의 순도는 통상 2N, 3N, 6N, 11N 등과 같이 표시된다. 여기서 'N' 앞의 숫자는 중량% 단위에서 9의 개수를 의미하며, 2N의 경우 99%의 순도를, 6N의 경우 99.9999% 순도를, 11N의 경우 99.999999999%의 순도를 의미한다.
초고순도를 요구하는 반도체급 실리콘의 경우 순도가 11N에 이른다. 그러나, 태양광 발전 전지의 원료물질로 이용되는 실리콘은 반도체급 실리콘의 순도인 11N 에 비해 상대적으로 낮은 5N ~ 7N의 순도에도 순도 11N의 실리콘을 적용한 경우와 비슷한 광 전환효율을 얻는 것으로 알려져 있다.
반도체급 실리콘은 화학적 가스화 공정을 통해 제조되고 있다. 그러나 이러한 실리콘 제조 공정은 오염물질이 대량으로 발생하고, 생산효율이 떨어지며, 또한 생산 단가가 높은 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 태양광 발전 전지의 원료물질로 이용되는 실리콘은 상기의 반도체급 실리콘 제조 공정을 적용하기 어려우며, 낮은 제조 비용으로 고순도의 생산할 수 있는 정련법이 많이 사용되어 왔다.
특히, 실리콘원료를 용융시켜 불순물을 제거하는 휘발정련을 거치고 다시 응고시키는 방법이 많이 사용되어 왔다. 하지만, 용융된 실리콘용탕을 액체상태에서 고체상태로 응고시키는 과정에서 부피가 팽창하며 실리콘응고부를 파손시키는 문제점이 많이 제기되었고 이를 해결하기 위한 기술들이 개발되어왔다.
도 1은 종래에 개발된 실리콘응고부를 가진 폴리실리콘 제조장치로서, 일본특허 공개번호1999-240710호의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래에 개발된 실리콘응고부(30)를 가진 폴리실리콘 제조장치는 공급부(10), 실리콘응고부(30) 및 전자빔조사부(20)으로 구성된다.
상기 공급부(10)는 외부로부터 실리콘용탕(P2)을 상기 실리콘응고부(30) 내부로 투입한다.
상기 실리콘응고부(30)는 승하강이 가능하도록 구성된 바닥부재(34) 및 상기 바닥부재(34)와 접촉되며 하부 방향으로 소정각도 확대되도록 테이퍼진 측벽(32)으로 구성된다.
여기서, 상기 바닥부재(34)는 상기 측벽(32)과 분리가 가능하도록 구성되며 상기 바닥부재(34)는 승하강을 통해서 응고된 실리콘을 상기 측벽(32)과 분리할 수 있도록 구성된다.
상기 전자빔조사부(20)은 상기 실리콘응고부(30)의 상부에 배치되며 상기 공급부(10)로부터 투입된 상기 실리콘용탕(P2)에 전자빔 조사를 통해 상기 실리콘용탕(P2)이 서서히 응고되도록 만들어준다.
이와 같이 구성된 종래의 폴리실리콘 제조장치의 동작을 도 1의 (a)를 통해서 살펴보면, 먼저 상기 공급부(10)로부터 상기 실리콘응고부(30)에 상기 실리콘용탕(P2)이 공급되고 공급된 상기 실리콘용탕(P2)에 상기 실리콘응고부(30)의 상부에 배치된 상기 전자빔조사부(20)이 전자빔을 조사하여 상기 실리콘용탕(P2)이 상부에서 서서히 응고되도록 한다.
상기 실리콘응고부(30)에서 용융되어 불순물이 제거된 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 실리콘응고부(30)에서 응고된다.
이후, 도 1의 (b)와 같이 상기 실리콘응고부(30)에서 응고된 상기 실리콘용탕(P2)을 제거하기 위해서 상기 실리콘응고부(30)의 상기 바닥부재(34)가 하강되며, 하강을 통해 상기 바닥부재(34)와 상기 측벽(32)이 분리가 된다.
이때, 상기 측벽(32)은 하부방향이 확대되도록 소정각도 테이퍼지게 형성되어 상기 실리콘응고부(30)로부터 응고된 상기 실리콘용탕(P2)의 제거가 쉽도록 한다.
또한, 상기 측벽(32)은 하부방향이 확대되도록 테이퍼짐으로써 상기 실리콘용탕(P2)이 응고될 때 부피의 팽창에 의해 상기 실리콘응고부(30)가 파손되는 것을 방지하게 된다.
이와 같이 구성된 종래의 폴리실리콘 제조장치는 연속적인 제조가 불가능하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다.
또한, 상기 바닥부재와 상기 실리콘용탕이 직접 접촉됨으로써 상기 실리콘용탕에 불순물이 유입되어 오염되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 종래에 사용되던 일방향응고부의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 일방향응고를 통해 실리콘을 제조할 때 실리콘용탕이 응고되며 부피가 팽창할 수 있도록 공간이 마련되어 일방향응고부의 파손을 방지할 수 있는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치를 제공함에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 진공 분위기를 유지하는 진공챔버, 상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부, 입자형태의 실리콘원료가 장입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부, 하부에 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 상기 실리콘용탕을 응고시키는 냉각채널이 형성되며 동일한 단면적을 가지는 용탕투입부 및 상기 용탕투입부의 하부에 연결되며 하부방향의 단면적이 증가하도록 경사지게 형성된 용탕안내부를 포함하는 일방향응고부 및 상기 일방향응고부 내부에 구비되는 실리콘버튼 및 상기 실리콘버튼 하면에 접합되어 상기 실리콘버튼을 이동시키는 더미바를 가지는 스타트블럭을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 일방향응고부는 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 상기 실리콘용탕의 응고가 일어날 때 상기 용탕안내부의 상부에서 응고되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 스타트블럭은 상기 실리콘용탕이 상기 용탕안내부에서 응고되면서 하강하도록 상기 실리콘용탕의 응고속도에 대응되는 속도로 하강하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부는 복수 개로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전자빔조사부는 상기 일방향응고부의 상부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 전자빔조사부는 복수 개로 구성되어 상기 실리콘용융부 및 상기 일방향응고부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부는 하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 일방향응고부는 하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 일방향응고부에 하부방향으로 확대되도록 소정각도 경사진 용탕안내부를 구비함으로써 실리콘용탕이 응고될 때 부피의 팽창에 의해 일방향응고부가 압박되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 실리콘버튼이 포함된 스타트블럭을 구비하여 외부로부터 투입되는 실리콘용탕이 실리콘버튼과 접촉함으로써 실리콘용탕이 스타트블럭에 의해서 불순물이 침투하여 오염되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 일방향응고부를 통해서 실리콘용탕을 수용하여 응고시킴과 동시에 구비된 스타트블럭의 하강을 통해서 지속적으로 실리콘용탕을 응고시킴으로써 연속적으로 폴리실리콘을 생산하여 생산성이 증가되는 효과가 있다.
도 1은 종래에 개발된 일방향응고부를 가진 폴리실리콘 제조장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 구성을 나타낸 도면;
도 3은 도 2의 일방향응고부에서 실리콘용탕의 응고상태에 따른 위치를 나타낸 도면;
도 4는 도 2의 일방향응고부에서 스타트블럭에 의해 이동되는 실리콘용탕의 변화를 나타낸 도면;
도 5는 도 2의 일방향응고부의 변형된 형태를 나타낸 도면; 및
도 6은 도 2의 폴리실리콘 제조장치에 의해서 실리콘이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정형태로 한정하려는 것이 아니라 본 실시예를 통해서 좀더 명확한 이해를 돕기 위함이다.
또한, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 폴리실리콘 제조장치의 구성은 크게 진공챔버(100), 전자빔조사부(200), 실리콘용융부(300) 및 일방향응고부(400)로 구성된다.
상기 진공챔버(100)는 전체를 감싸도록 형성되며 별도의 진공펌프(미도시)를 구비하고 상기 진공펌프를 통해서 내부의 진공상태를 조절한다. 또한, 일측에 실리콘원료(P1)를 투입하는 원료투입부(120)가 구비된다.
상기 전자빔조사부(200)는 상기 진공챔버(100) 내부에 구비되며 복수 개로 구성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 전자빔조사부(200)는 제1전자총(210) 및 제2전자총(220)으로 구성된다.
상기 실리콘용융부(300)는 상기 제 1전자총(210)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치된다. 상기 실리콘용융부(300)에서는 상기 원료투입부(120)로부터 입자 형태의 실리콘원료(P1)가 투입되고, 투입된 상기 실리콘원료(P1)는 상기 제 1전자총(210)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융되어 실리콘용탕(P2)이 만들어진다.
상기 원료투입부(120)으로부터 투입되는 상기 실리콘원료(P1)는 정크형태의 원료가 사용되며 약 1mm-4mm의 크기를 가지는 것이 일반적이다.
이때, 상기 제 1전자총(210)은 전자빔이 500-700kW/m2의 출력 에너지를 갖도록 제 1전자빔을 가속 및 집적하는 것이 바람직하다.
상기 제 1전자총으로부터 조사되는 전자빔의 출력 에너지가 너무 높은 경우, 전자빔에 의해 상기 실리콘용탕(P2)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘용탕(P2)의 거동이 불안정해지는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부(300)는 작업 중에 발생할 수 있는 불순물의 유입을 차단하고, 냉각 효율을 용이하게 제어할 수 있는 수냉동 도가니를 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 수냉동 도가니라 함은 구리(Cu)로 만들어진 도가니 외부에 냉각수를 이용하여 도가니가 고온에서도 버틸 수 있도록 냉각채널(C)이 구비되도록 제조된 도가니이다.
본 실시예에서는 상기 실리콘용융부(300)가 하나로 구성되어 있지만 이는 특정형태로 한정하는 것이 아니라 보다 명확한 이해를 돕기 위해서 선택한 일 예일 뿐이다. 상기 실리콘용융부(300)가 복수 개로 구성되어도 본 발명의 핵심은 변하지 않으므로 사용자가 선택적으로 상기 실리콘용융부(300)의 숫자를 조절할 수 있다.
상기 일방향응고부(400)는 상부에 위치한 용탕투입부(420) 및 하부에 위치하여 상기 용탕투입부(420)와 연속적으로 연결된 용탕안내부(430)로 구성되며 상기 실리콘용탕(P2)을 연속적으로 주조함과 동시에 금속 불순물의 편석을 유도하여 실리콘 정련 및 고순도 폴리실리콘 생산 효율을 향상시키는 역할을 한다.
그리고 상기 일방향응고부(400)는 상기 제2전자총(220)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치되며, 상기 실리콘용융부(300)와 연결된다.
상기 용탕투입부(420)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 상기 실리콘용탕(P2)이 투입되며 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입되는 상기 실리콘용탕(P2)을 수용하여 상기 용탕안내부(430)로 이동시킨다.
상기 용탕안내부(430)는 상기 용탕투입부(420)와 연속적으로 연결되며 하부방향의 단면적이 증가하도록 테이퍼지게 형성되어 상기 용탕투입부(420)를 통해서 공급되는 상기 실리콘용탕(P2)을 응고시키게 된다.
이때, 상기 실리콘용융부(300)로부터 공급된 상기 실리콘용탕(P2)은 상부에 구비된 상기 전자빔조사부(200)로부터 전자빔이 조사되어 용융상태가 유지되며, 하측 일부는 상기 냉각채널(C)에 의해서 냉각되어 응고된다.
여기서, 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 용탕투입부(420) 하부에서 응고의 시작이 일어나며 하부로 갈수록 단단하게 응고되어 상기 용탕안내부(430)의 상부에서 완전히 응고된다.
이때, 상기 용탕투입부(420)의 단면적 보다 상기 용탕안내부(430)의 단면적이 하부방향으로 갈수록 더 크게 형성됨으로써, 상기 실리콘용탕(P2)이 팽창할 수 있는 팽창공간이 생성되어 상기 실리콘용탕(P2)이 응고되는 과정 중에 팽창을 하여도 상기 용탕투입부(420) 또는 상기 용탕안내부(430)에 끼임 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 일방향응고부(400)의 하부에는 상기 실리콘용융부(300)와 마찬가지로 상기 실리콘용탕(P2)을 냉각하기 위한 냉각수 등이 공급되는 상기 냉각채널(C)이 형성되며, 상기 일방향응고부(400)의 내부에는 하부 방향으로 구동되는 스타트블럭(410: start block)이 장착된다.
상기 스타트블럭(410)은 상기 용탕안내부(430) 내부에서 하부로 구동되며 실리콘 주조를 위한 주형을 성장시키면서 물리적으로 상기 실리콘용탕(P2)을 하부로 이송시키는 역할을 한다.
상기 스타트블럭(410)은 실리콘버튼(412) 및 흑연더미바(414)로 구성된다.
상기 실리콘버튼(412)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 용융된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)의 상부로 투입되어 상기 실리콘용탕(P2)과 접촉된다. 여기서, 상기 스타트블럭(410)은 상기 실리콘용탕(P2)을 이용하여 보다 높은 순도의 폴리실리콘을 제조하기 위해 상기 실리콘버튼(412)을 사용한다.
상기 흑연더미바(414)는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 것을 이용할 수 있다. 특히, 흑연더미바(414)의 재질로는 저밀도 그라파이트가 가장 바람직하다. 상기 흑연더미바(414)의 재질로 저밀도 그라파이트를 사용할 경우, 상기 실리콘용탕(P2)의 모세관현상에 의해서 그라파이트의 기공안으로 상기 실리콘용탕(P2)의 침투를 쉽게 하여 상기 실리콘버튼(412)아 상기 흑연더미바(414)의 접합강도를 증가시킬 수 있다.
여기서, 상기 스타트블럭(410)으로 흑연더미바(414)만을 사용하는 것이 아니라 상기 실리콘버튼(412)을 접합하여 사용하는 이유는 상기 흑연더미바(414)을 적용할 경우 주조되는 폴리실리콘의 흑연 오염 등의 오염 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
따라서, 상기 실리콘버튼(412)은 상기 흑연더미바(414)가 상기 실리콘용탕(P2) 혹은 주조된 실리콘과 직접 접촉하지 않도록 함으로써 그라파이트로부터의 오염을 방지하는 역할을 한다.
이와 같이 구성된 상기 스타트블럭(410)을 구비한 상기 일방향응고부(400)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 오버플로우되는 상기 실리콘용탕(P2)을 공급받게 된다.
그리고 상기 실리콘용탕(P2)를 공급받은 상기 일방향응고부(400)는 상기 제2 전자총(220)으로부터 전자빔을 조사받아 공급된 상기 실리콘용탕(P2)의 용융상태를 유지하면서 상기 스타트블럭(410)을 하부로 구동하여 상기 실리콘용탕(P2)을 하부 방향으로 이송한 후, 상기 실리콘용탕(P2)의 하부를 냉각하여 상기 실리콘용탕(P2)의 하부에서 상부 방향으로 응고와 동시에 정련되도록 한다.
한편, 상기 스타트블럭(410)은 상기 실리콘용탕(P2)과 접촉하여 하부방향으로 이동을 하게 되며, 상기 스타트블럭(410)을 따라 하부로 이동되는 상기 실리콘용탕(P2)이 응고되는 과정 중에 팽창을 하게 된다. 그래서 상기 용탕투입부(420)와 상기 용탕안내부(430)의 경계부분에서 단면적의 크기차이에 의해 생성된 팽창공간을 통해 상기 스타트블럭(410)에 의해서 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 용탕투입부(420)의 하부로 이동되면서 팽창을 하게 된다. 이때, 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 용탕투입부(420)과 상기 용탕안내부(430)의 경계부분에서 액체와 고체의 중간상태가 되며, 상기 스타트블럭(410)의 하강에 의해 이동되는 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 용탕안내부(430)내부에서 완전히 고체가 된다.
이와 함께, 상기 스타트블럭(410)의 하강속도는 상기 실리콘용탕(P2)의 응고로 인한 팽창크기 및 응고속도에 대응하여 용탕투입부(420)의 하부에 생성되는 팽창공간의 크기가 조절되도록 한다.
이와 같이 구성된 폴리실리콘 제조장치의 전체적인 동작을 살펴보면, 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)가 상기 실리콘용융부(300)에 투입되고 투입된 상기 실리콘원료(P1)는 상기 조사부에 의해서 상기 실리콘용탕(P2)으로 변형된다.
상기 실리콘용융부(300)에 상기 실리콘원료(P1) 투입이 연속적으로 이루어지면서 상기 실리콘용융부(300)에 형성되는 상기 실리콘용탕(P2)의 양이 증가한다. 이에 따라 상기 실리콘용융부(300)에서 오버플로우(overflow)된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)로 공급된다.
상기 일방향응고부(400)에서는 상기 실리콘용융부(300)에서 공급되는 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 제2전자총(220)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융상태를 유지한다. 그리고 상기 실리콘용탕(P2)의 용융상태가 유지되면서 상기 스타트블럭(410)에 의하여 하부 방향으로 이송된 후, 상기 냉각채널(C)을 통하여 상부방향으로 응고 및 주조되어 폴리실리콘이 형성된다.
이때, 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 스타트블럭(410)에 의해서 서서히 하강됨과 동시에 응고되며, 상기 스타트블럭(410)의 하강속도는 상기 실리콘용탕의(P2) 팽창에 의해 증가되는 부피에 대응하는 부피를 상기 용탕안내부(430)의 상부에서 생성할 수 있도록 조절된다.
한편, 상기 일방향응고부(400)는 수냉동 도가니와 마찬가지로 하부에 상기 냉각채널(C)이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비할 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 상기 용탕투입부(420) 및 상기 용탕안내부(430)의 경계영역에서 상기 실리콘용탕(P2)이 응고되는 상태를 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 도 2의 일방향응고부에서 실리콘용탕의 응고상태에 따른 위치를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 상기 일방향응고부(400)에 투입된 상기 실리콘용탕(P2)을 세 개의 영역으로 나누어서 설명하면, a영역은 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 용탕투입부(420)의 상부에 위치하며 상기 제 2전자총(220)으로부터 전자빔을 조사받아 용융상태를 지속적으로 유지되는 영역이다.
그리고 c영역은 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 스타트블럭(410)에 접촉되어 상기 용탕안내부(430)를 따라 하부방향으로 이송되며 상기 냉각채널(C)에 의해 냉각되어 응고된 고체상태의 실리콘(P4)이 구비되는 영역이다.
한편, b영역은 상기 실리콘용융부(300)를 통해서 공급된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 스타트블럭(410)의 하강으로 인해서 상기 용탕투입부(420)와 상기 용탕안내부(430)의 경계영역으로 이동되어 상기 용탕투입부(420)의 하측에서 액체와 고체의 중간상태로 유지되는 영역이다. 즉, 액체와 고체 공존상태의 실리콘(P3)이 유지되는 것이다.
이와 같이, 상기 일방향응고부(400)의 내부에 투입된 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 스타트블럭(410)에 의해 상기 용탕투입부(420)에서부터 상기 용탕안내부(430)로 이송되며 이 과정 중에 상기 a영역 및 b영역을 거치면서 응고된 후 c영역으로 이동되어 완전히 응고된다.
상기 실리콘용탕(P2)은 상기 b영역에서 액체와 고체의 중간상태에 이르게 되며 상기 실리콘용탕(P2)이 응고되면서 팽창을 하게 된다. 이때, 상기 스타트블럭(410)의 하강을 통해 응고가 되고 있는 상기 실리콘용탕(P2)은 단면적이 더 넓은 상기 용탕안내부(430)의 상부로 이동하게 된다.
이와 같이, 응고되고 있는 상기 공존상태의 실리콘(P3)이 상기 용탕안내부(430)의 상부로 이동되면, 단면적이 상기 용탕투입부(420)의 단면적보다 더 커지기 때문에 팽창공간이 생성되며 상기 실리콘용탕(P2)이 팽창을 하여도 생성된 팽창공간에 의해서 상기 용탕안내부(430)의 측벽에 압력을 가하지 않게 된다.
본 도면에서 상기 일방향응고부(400) 내부에서 응고되고 있는 상기 실리콘용탕(P2)의 응고상태에 따라서 다르게 도시하였지만 이는 명확한 구분을 위해서 분리하여 나타낸 것이다. 사실은 각각의 상태에 따른 실리콘(P2, P3, P4)는 모두 동일하며 연속적으로 구성되어 있다.
이어서, 도 4를 참조하여 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 용탕투입부(420) 및 상기 용탕안내부(430)를 거치며 응고되는 과정에 대해서 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 2의 일방향응고부에서 스타트블럭에 의해 이동되는 실리콘용탕(P2)의 변화를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4의 (a)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 공급된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)에서 수용된 상태를 나타낸 것으로, 상기 용탕투입부(420)의 상부에서 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 제 2전자총(220)에서 조사되는 전자빔에 의해서 응고되지 않고 용융상태가 유지되어 액체상태를 유지하게 된다.
그리고 상기 실리콘용탕(P2)의 하부는 상기 용탕투입부(420) 및 상기 용탕안내부(430)의 경계영역에서 상기 스타트블럭(410)과 접촉되며 하부에 구비된 상기 냉각채널(C)으로부터 전달된 냉기에 의해서 일부분이 냉각됨으로써 액체와 고체의 성질을 가진 상기 공존상태의 실리콘(P3)된다.
이후, 도 4의 (b)와 같이 상기 스타트블럭(410)이 상기 실리콘용탕(P2)과 접촉되어 상기 일방향응고부(400) 내부에서 상기 스타트블럭(410)의 하강을 통해 액체와 고체의 성질을 가진 상기 공존상태의 실리콘(P3)이 상기 용탕투입부(420)에서 상기 용탕안내부(430)로 소정거리 이동하게 된다.
상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)를 따라 하강하게 되면 액체와 고체의 성질을 가진 상기 공존상태의 실리콘(P3)은 상기 용탕안내부(430)로 이동하게 되며 상기 냉각채널(C)에 의해서 더욱 냉각되어 응고된다.
이때, 상기 공존상태의 실리콘(P3)은 도4의 (c)와 같이 상기 용탕안내부(430)로 하강하면서 응고되어 부피가 팽창하게 된다. 하지만, 상기 용탕투입부(420)와 상기 용탕안내부(430)의 단면적 차이에 의해 생성된 팽창공간에 의해서 상기 일방향응고부(400)의 내벽을 압박하지 않는다.
그래서 상기 스타트블럭(410)에 의해 하강된 상기 공존상태의 실리콘(P3)은 상기 냉각채널(C)에 의해서 냉각되며 완전히 응고되어 고체상태의 실리콘(P4) 상태가 된다.
이와 함께, 상기 용탕투입부(420)의 상부에 있던 상기 실리콘용탕(P2)은 응고된 상기 고체상태의 실리콘(P4)를 따라서 하강하며 냉각되어 상기 공존상태의 실리콘(P3)으로 변형된다.
그리고 상기 공존상태의 실리콘(P3)의 상부에는 상기 실리콘용융부(300)로부터 상기 실리콘용탕(P2)이 공급되어 지속으로 상기 고체상태의 실리콘(P4)를 생산한다.
다음으로, 도 5를 참조하여 상기 일방향응고부(400)의 변형된 형태에 대해서 설명하면 다음과 같다.
도시된 바와 같이, 상기 일방향응고부(400)는 상기 용탕투입부(420) 및 상기 용탕투입부(420)의 하부에 연결된 상기 용탕안내부(430)로 구성되며 상기 용탕안내부(430)의 하부에 동일한 단면적을 가지는 토출안내부(440)를 더 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 용탕안내부(430)는 하부방향의 단면적이 증가하도록 일부가 경사지게 형성된다.
상기 용탕안내부(430)의 하부에 상기 토출안내부(440)의 상부가 연속적으로 연결되며, 상기 토출안내부(440)가 동일한 단면적을 가지도록 형성됨으로써, 상기 스타트블럭(410)을 따라서 응고되어 하강하는 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 스타트블럭(410)과 상기 용탕안내부(430)와의 단면적 차이에서 발생할 수 있는 공간으로 누출되지 않는다.
이와 같은 구성은 상기 일방향응고부(400)의 변형된 형태로, 상기 용탕투입부(420)의 하부가 상기 용탕안내부(430)의 상부에 대응하여 연결되며 상기 용탕안내부(430)의 단면적이 하부방향을 따라서 증가하도록 구성되면 상기 용탕안내부(430)는 어떤 형태로든 적용이 가능하다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 폴리실리콘이 제조되는 전체적인 과정에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 도 2의 폴리실리콘 제조장치에 의해서 폴리실리콘이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 실리콘용융부(300)에 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)가 투입된 후 상기 제 1전자총(210)을 통해 전자빔을 조사하게 된다. 이때, 상기 제 1전자총(210)에서 전자빔을 이용해 상기 실리콘원료(P1)를 용융시키기 위해서는 상기 진공챔버(100)내부가 일정수준 이상의 진공상태가 되어야 한다. 여기서, 상기 실리콘용융부(300)에 장입되는 상기 실리콘원료(P1)는 순도 2N, 평균입경 1 ~ 2mm인 입자 형태의 상기 실리콘원료(P1)를 이용할 수 있다.
이와 함께, 상기 제 2전자총(220)은 상기 일방향응고부(400)의 상부에도 전자빔을 조사하여 상기 실리콘용융부(300)로부터 이동된 상기 실리콘용탕(P2)을 냉각되지 않도록 가열해준다.
여기서, 상기 제1전자총(210)은 상기 실리콘용융부(300) 상부에서 제1전자빔을 상기 실리콘용융부(300)로 조사하며, 상기 제2전자총(220)은 제2전자빔을 상기 일방향응고부(400)의 상부에 조사한다.
이와 같이, 상기 실리콘원료(P1)는 상기 실리콘용융부(300) 내부에서 상기 전자빔조사부(200)로부터 조사되는 전자빔에 의해서 용융되어 상기 실리콘용탕으로 형성될 뿐만 아니라, 온도가 증가됨에 따라서 상기 실리콘원료(P1)에 포함되어 있던 불순물이 휘발되어 제거된다.
상기 제1전자총(210)으로부터 조사되는 전자빔에 의하여 상기 실리콘원료(P1)가 용융되면서, 실리콘원료에 포함된 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 인(P), 마그네슘(Mg), 망간(Mn) 등과 같은 휘발성 불순물이 진공 휘발된다.
실리콘에 비하여 끓는점과 증기압이 상대적으로 낮은 휘발성 불순물은 높은 진공도와 전자빔에 의한 높은 가열온도에 의해 휘발하게 된다. 이때, 상기 제1전자총(210)에서 조사되는 전자빔 출력 에너지를 상승시키고 전자빔 조사 시간을 증가시킬 경우 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 불순물이 제거된 상기 실리콘용탕(P2)은 도 5의 (a)와 같이 상기 실리콘용융부(300)로부터 상기 일방향응고부(400)로 오버플로우 되어 투입된다.
상기 실리콘용융부(300)으로부터 상기 실리콘용탕(P2)를 공급받은 상기 일방향응고부(400)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 스타트블럭(410)을 하부방향으로 이송시키게 된다. 이때, 상기 일방향응고부(400)의 상부에서 상기 실리콘용탕(P2)가 바로 응고되지 않도록 상기 제2전자총(220)이 상기 일방향응고부(400)의 상부에 전자빔을 조사하게 된다.
상기 스타트블럭(410)이 상기 일방향응고부(400)의 하부방향으로 이동됨으로써 상기 실리콘버튼(412)에 접촉한 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 실리콘버튼(412)을 따라서 하부방향으로 이송된다. 여기서, 상기 일방향응고부(400)의 하부에는 상기 냉각채널(C)이 형성되어 상기 일방향응고부(400)의 하부를 냉각시키게 된다.
그래서 상기 스타트블럭(410)을 따라 이송되는 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)의 하부에서 상기 냉각채널(C)에 의해서 응고된다.
한편, 상기 스타트블럭(410)은 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)이 투입되는 속도에 대응하는 속도로 하강하도록 구동될 수 있다.
상기 스타트블럭(410)이 너무 느린 속도로 하강할 경우 상기 실리콘용탕(P2)의 응고에 의한 팽창속도를 따라갈 수 없어서 상기 실리콘용탕(P2)의 팽창으로 인해 상기 일방향응고부(400)의 내벽에 파손이 일어날수 있으며, 상기 스타트블럭(410)이 너무 빠른 속도로 하강할 경우 상기 실리콘용탕(P2)의 응고에 의한 팽창속도보다 빠르게 되어서 상기 일방향응고부(400) 하부로 상기 실리콘용탕(P2)이 새어나가는 문제점이 있다.
이 과정에서 용융 실리콘에 포함된 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 구리(Cu) 등의 금속 불순물이 고액 계면을 따라 상부로 이동된다. 이러한 불순물의 편석 효과는, 실리콘 응고 과정에서 고체상태와 액체상태의 계면이 성장방향과 수직하게 유지되면서, 액체와 고체간의 온도차이가 높을 때 충분히 발휘될 수 있다.
이와 같이, 상기 스타트블럭(410)의 하강을 통해서 상기 일방향응고부(400)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 공급받은 상기 실리콘용탕(P2)을 수직 방향으로 성장시킴으로써 순도가 높은 폴리실리콘을 제조하게 된다.
이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 진공챔버 120: 원료투입부
200: 전자빔조사부 210: 제1전자총
220: 제2전자총 300: 실리콘용융부
400: 일방향응고부 410: 스타트블럭
420: 용탕투입부 430: 용탕안내부
440: 토출안내부 P1: 실리콘원료
P2: 실리콘용탕 P3: 공존상태의 실리콘
P4: 고체상태의 실리콘 C: 냉각채널

Claims (8)

  1. 진공 분위기를 유지하는 진공챔버;
    상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부;
    입자형태의 실리콘원료가 장입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부;
    하부에 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 상기 실리콘용탕을 응고시키는 냉각채널이 형성되며 동일한 단면적을 가지는 용탕투입부 및 상기 용탕투입부의 하부에 연속적으로 연결되어 하부방향의 단면적이 증가하도록 경사지게 형성된 용탕안내부를 포함하며, 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 상기 실리콘용탕이 상기 용탕투입부와 상기 용탕안내부의 경계부분에서 고체와 액체의 중간상태가 되고 용탕안내부 상부에서 응고되는 일방향응고부; 및
    상기 일방향응고부 내부에 구비되는 실리콘버튼 및 상기 실리콘버튼 하면에 접합되어 상기 실리콘버튼을 이동시키는 더미바를 가지는 스타트블럭;
    을 포함하여 구성되는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스타트블럭은,
    상기 실리콘용탕이 상기 용탕안내부에서 응고되면서 하강하도록 상기 실리콘용탕의 응고속도에 대응되는 속도로 하강하는 것을 특징으로 하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘용융부는,
    복수 개로 구성되는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔조사부는,
    상기 일방향응고부의 상부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전자빔조사부는,
    복수 개로 구성되어 상기 실리콘용융부 및 상기 일방향응고부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘용융부는,
    하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 일방향응고부는,
    하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 경사진 일방향응고부를 이용한 폴리실리콘 제조장치.
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