KR101440049B1 - 반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 ｃｖｄ 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일측면으로서, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 것을 특징으로 하는 반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기를 제공함으로써, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에서의 복사에너지 손실을 방지할 수 있고, 트리클로로실린의 열분해 반응 효율을 향상시킴으로써, 에너지 소모량의 감소 및 생산비용의 저감을 달성할 수 있고, 이에 따라 경제성장 및 전자산업의 발전에 기여할 수 있다.

Description

반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 ＣＶＤ 반응기{REFLECTOR AND CVD REACTOR FOR MANUFACTURING POLYSILLICON BY USING THE SAME}

본 발명은 반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 반응기에서 복사의 형태로 에너지가 손실되는 것을 방지함으로써, 트리클로로실란 등의 반응가스의 열분해 효율을 향상시킬 수 있는 반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에 관한 것이다.

반도체 또는 태양전지의 제조에 있어서 폴리실리콘이 그 원료로 사용되기 때문에, 반도체 또는 태양전지의 원료로 적합한 99.9999999% 내지 99.999999999%의 고순도의 폴리실리콘에 대한 수요가 증가하고 있고, 이는 전자공업의 종합적 발전에 중요한 부분을 차지하고 있다.

상기 폴리실리콘의 제조공정을 개괄적으로 살펴보면, 먼저 규사나 규석(SiO₂)을 원료로 하여 전기로에서 용융시키고 탄소를 이용하여 환원시킴으로써 금속 실리콘을 얻는다. 그러나, 이때 나오는 금속 실리콘의 순도는 98% 정도로, Re, Al, Ca, Cr,Mn, B, Cu 등 여러 불순물이 포함되어 있어 이를 바로 반도체 또는 태양전지의 원료로 사용하기에는 부적합하다.

따라서, 상기 환원과정을 통해 얻어진 금속 실리콘을 염화수소 등의 반응가스와 반응시켜 트리클로로실란 등으로 기체화하고, 이를 증류과정을 통해 정제시킴으로써 상기 불순물을 제거하게 된다. 그리고나서, CVD 반응기를 이용하여 상기 불순물이 제거된 트리클로로실란으로부터 실리콘을 석출하는 과정을 거치게 된다.

본 발명은 상기 공정 중에서도 CVD 반응기를 이용하여 트리클로로실란 등의 실란 반응가스로부터 실리콘을 석출하는 공정에 관한 것으로, 일반적으로 지멘스(Siemens) 공법이 이용된다. 지멘스 공법이란 일반적으로 종형(bell-jar type)의 반응기에 가는 슬림 로드(slim rod)를 설치하고, 상기 슬림 로드를 전극을 통해 전기 가열시킨 후 트리클로로실란 등을 주입하여 열분해시킴으로써 상기 슬림 로드에 실리콘을 석출시키는 방법을 말한다. 물론, 상기 반응기의 형상에는 제한이 없고, 슬림 로드의 가열방식도 전극을 통한 전기 가열 외에도 고온 복사나 고주파 또는 전자기파 가열방식을 이용할 수 있으며, 상기 반응기에 주입되는 반응가스도 트리클로로실란에 한정되는 것이 아니라 모노실란, 이염화실란 등의 다른 가스를 사용하는 것도 가능하다.

상기 슬림 로드를 가열하는 과정을 보다 상세히 살펴보면, 트리클로로실란의 열분해를 위해서는 매우 높은 온도가 필요하기 때문에, 슬림 로드에 실리콘이 석출되려면 슬림 로드를 약 1,000℃ 이상으로 가열하여야 한다. 종래에는 별도의 열원을 통해 슬림 로드를 약 400~700℃로 가열하고, 그리고나서 슬림 로드에 연결된 전극을 통해 전기를 공급함으로써 슬림 로드를 약 1,000℃ 이상으로 유지하는 방식을 사용하여왔다. 이는 슬림 로드의 초기 가열에 의해 슬림 로드의 비저항 값이 낮아지는 것을 이용하여, 전극을 통한 전기 가열 효과를 극대화시키기 위해 먼저 초기 가열을 행한 것이다.

이와 같이, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에서의 슬림 로드의 가열은 실리콘 석출을 위한 핵심적인 요소로서, 슬림 로드를 약 1,000℃ 이상으로 유지하기 위해 소요되는 에너지 및 비용도 막대하게 들어간다. 또한, 상기 가열에 의해 실리콘이 석출되기 시작하면 슬림 로드의 직경이 증가하게 되고, 이에 따라 슬림 로드의 외표면 온도를 상기 약 1,000℃ 이상으로 유지하기 위해서는 슬림 로드의 중심부에는 이보다 더 높은 온도가 필요하므로, 시간이 지남에 따라 전기 가열을 위해 투입되는 전류의 양이 계속적으로 증가할 수밖에 없는 바, 에너지 소모량 및 생산비용이 매우 커지게 된다.

특히, 문제는 상기 가해주는 열이 모두 트리클로로실란의 열분해 반응에 사용되는 것이 아니라 상기 열의 많은 양이 외부에 빠져나가는 에너지 손실이 발생한다는 점에 있다. 상기 유출되는 에너지의 80% 정도는 복사에너지의 형태로 지멘스 반응기 밖으로 빠져나가는데, 이에 따라 상기 슬림 로드를 실리콘 석출에 필요한 온도로 계속 유지시키기 위해서는 훨씬 큰 에너지를 가해주어야만 하고, 이는 매우 큰 에너지 소모량 및 생산비용의 증가를 가져온다.

따라서, 상기 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에 있어서 내부열이 유출되는 것을 효과적으로 방지하는 기술에 대한 요구가 매우 급증하였다. 따라서, 종래에 이를 해결하기 위해 상기 슬림 로드를 감싸는 형태로 단열재를 설치한 예가 있었는데, 이러한 단열재는 내부열이 대류의 형태로 빠져나가는 것을 차단하는 데에는 효과적일 수 있으나, 복사의 형태로 빠져나가는 것을 차단하는 데에는 한계가 있을 수밖에 없었고, 특히 상기 유출되는 에너지의 상당 부분이 복사에너지로 빠져나간다는 점에서, 상기 종래기술은 슬림 로드 가열에 필요한 에너지 및 비용을 감축시키는 데에 별다른 기여를 하지 못하였다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위해서는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부열이 복사에너지의 형태로 유출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 기술이 매우 절실한 실정이다.

본 발명은 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에서의 복사에너지 손실을 방지하고, 트리클로로실린의 열분해 반응 효율을 향상시킬 수 있는 반사기 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기를 제공한다.

본 발명은 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 것을 특징으로 하는 반사기를 제공한다.

이때, 상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사물질은 반사율이 50％ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사물질은 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명은 또다른 일측면으로서, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기를 제공한다.

이때, 상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사물질은 반사율이 50％ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사물질은 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에서의 복사에너지 손실을 방지할 수 있고, 트리클로로실린의 열분해 반응 효율을 향상시킴으로써, 에너지 소모량의 감소 및 생산비용의 저감을 달성할 수 있고, 이에 따라 경제성장 및 전자산업의 발전에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기 전체의 내부 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 반사기를 나타낸 것이다.
도 3은 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 온도 분포 사진이고,
도 4는 상기 반응기에서 Si의 슬림 로드에의 증착속도를 나타낸 것인데, (a)는 반사기가 없는 종래의 반응기에서, (b)는 방사율이 10%인 반사물질로 된 반사기를 구비한 반응기에서, (c)는 방사율이 50%인 반사물질로 된 반사기를 구비한 반응기에서 실험한 결과를 각각 나타낸 것이다.

종래의 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기는 슬림 로드를 약 1,000℃ 이상의 고온으로 가열하고, 트리클로로실란을 투입하여 열분해시킴으로써 슬림 로드에 실리콘을 석출시키는 과정에 있어서 상기 가열된 에너지가 복사의 형태로 유출되는 것을 효과적으로 차단할 수 있는 장치가 없었기 때문에, 많은 에너지 손실이 발생하였고, 이에 따라 에너지 소모량이 상당히 클 수밖에 없었고 실리콘 생산비용도 막대하게 소요되었다. 특히, 상기 실리콘이 슬림 로드가 아니라 반응기의 벽면에 형성되는 것을 방지하기 위해 순환 냉각수를 이용하여 반응기의 벽면의 온도를 계속 낮추는 작업을 하기도 하였는데, 이에 따라 반응기 내부와 반응기 벽면 사이의 온도 차이가 크게 발생하여, 슬림 로드를 가열한 에너지가 더 쉽게 외부로 유출되는 문제가 있었다.

이에 본 발명자들은 상기 에너지 손실의 상당 부분이 복사의 형태로 발생함에 착안하여, 도 1에서 보는 바와 같이, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기(1) 내부에 별도의 반사기(2)를 설치하고, 상기 반사기의 내벽에 반사물질을 형성시킴으로써, 가열된 슬림 로드(3)로부터 유출되는 복사에너지를 효과적으로 차단하고, 상기 반사기를 통해 반사된 복사에너지가 다시 실리콘 석출 반응에 사용될 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 일측면으로서, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 것을 특징으로 하는 반사기를 제공하는데, 이하에서 상기 반사기에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 상기 반사기는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되는 형태로 제작되고, 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지는 것이 바람직한데, 이를 통해 가열된 슬림 로드로부터 외부로 유출되는 열을 효과적으로 차단함과 동시에, 상기 반사기에 의해 트리클로로실란의 열분해 반응 공간 자체를 협소하게 만드는 효과가 있기 때문에, 그만큼 내부의 온도를 높게 유지하는 것이 더욱 용이할 수 있다.

도 2를 통해 상기 반사기의 일례를 제시하였으나, CVD 반응기의 내부에 삽입되고 슬림 로드를 수용할 수 있는 내부 공간만 있으면 상기 반사기의 형태에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 반응 공간을 좁게 만들어 내부 온도의 유지 효과를 극대화할 수 있도록 반사기의 크기를 조절할 수 있고, 그 형태도 복사에너지의 반사에 유리한 형태로 적절히 변경할 수 있다. 도 2는 일반적인 지멘스 반응기와 유사한 형태로, 원통형의 반사기를 일례로 나타낸 것으로서, 도 2와 같이 내부 관찰 및 온도 변화측정을 위해 소정의 홀을 구비할 수도 있으며, 일체형이 아니라 슬림 로드를 둘러싸는 형태로 다수의 반사판을 주위에 배치시키는 방식으로 반사기를 형성시키는 것도 가능하다.

또한, 상기 반사기가 슬림 로드로부터 유출되는 열을 효과적으로 차단하기 위해서는 반사기의 내벽에 반사물질을 형성시키는 것이 매우 중요한데, 상기 반사물질은 복사에너지의 유출을 차단함과 동시에, 상기 복사에너지를 반사시켜 다시 트리클로로실란 열분해 반응에 참여할 수 있도록 돌려보내는 역할을 한다. 이를 통해 트리클로로실란의 열분해에 필요한 약 1,000℃ 이상의 고온을 유지하는 데에 소요되는 에너지량이 현저히 감소될 수 있고, 이에 따라 동일한 에너지를 가했을 때 얻을 수 있는 실리콘 석출량도 크게 증가할 수 있다. 이때, 상기 반사물질을 반사기의 내벽에 형성시키는 방식에는 특별한 제한이 없고, 반사물질을 반사기의 내벽에 코팅시킬 수도 있고, 내벽의 재료에 반사물질을 포함시켜 반사기의 내벽을 제조하는 것도 가능하다.

상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상인 것이 바람직한데, 만약, 상기 반사물질의 녹는점이 1500℃ 미만이면 슬림 로드의 고온에 영향을 받아 반사물질이 녹거나 반사기 내벽에 손상을 줄 수 있기 때문이다. 또한, 상기 반사물질은 반사율이 50％ 이상인 것이 바람직한데, 상기 반사물질의 반사율이 50％ 미만이면 유출되는 복사에너지의 반사효과가 미미하여 에너지 저감에 기여하는 정도가 크지 않을 수 있다.

또한, 상기 반사물질은 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 보다 바람직하다. 먼저, Mo는 녹는점이 약 2600℃이고 반사율이 58%이며, Ta는 녹는점이 약 3000℃이고 반사율이 78%이며, W는 녹는점이 3400℃이고 반사율이 62%로서, 모두 녹는점이 충분히 높아 반응기 내부온도에 의해 녹지 않고 유지될 수 있으며, 또한 반사율도 높아 유출되는 복사에너지의 반사효율이 좋다.

한편, 본 발명은 또다른 일측면으로서, 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기를 제공한다. 상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상이고, 반사율이 50％ 이상 이상인 것이 바람직하고, 그 중에서도 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것이 보다 바람직하다.

이와 같이, 상기의 반사기를 구비한 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기는 가열된 슬림 로드로부터 유출되는 복사에너지를 효율적으로 차단하고, 그 차단된 에너지를 반사시켜 다시 트리클로로실란의 열분해 반응에 기여할 수 있도록 함으로써, 실리콘 석출에 필요한 약 1,000℃ 이상의 고온을 유지하는 데에 필요한 에너지 소모량이 크게 감소될 수 있고, 이에 따라 실리콘 생산비용이 저감되어 실리콘 생산성을 향상시킬 수 있으며, 나아가 전자산업의 발전 및 경제성장에 크게 기여할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 보다 완전한 설명을 위한 것이고, 하기 개별실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

( 실시예 )

(a) 반사기가 설치되지 않은 종래의 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기, (b) 방사율이 10%, 즉 반사율 90%인 반사물질이 내벽에 형성되어 있는 반사기가 설치된 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기, (c) 방사율이 50%, 즉 반사율 50%인 반사물질이 내벽에 형성되어 있는 반사기가 설치된 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기에 있어서, 각각의 반응기에 동일한 열을 함으로써 트리클로로실란을 열분해시켜 실리콘을 석출하는 실험을 행하였고, 이때 각 반응기 내부의 온도분포를 도 3에서 사진을 통해 나타내었으며, 도 4는 각 반응기에서의 Si의 증착속도를 나타낸 것이다.

먼저, 반사기가 설치되지 않은 종래의 반응기를 살펴보면, 도 3(a)에서 슬림 로드의 주위에서 고온의 분포가 매우 협소하고, 도 4(a)에서 Si의 증착속도도 매우 느림을 알 수 있다. 즉, 반사기가 설치되지 않으면 가열된 슬림 로드로부터 상당량의 에너지가 복사의 형태로 외부로 유출되기 때문에, 슬림 로드의 온도가 높게 유지되기 어려워 실리콘 석출이 용이하지 못함을 알 수 있다. 따라서, 이 경우에는 원활한 실리콘 석출을 위해 더 많은 엄청난 양의 에너지를 계속적으로 가해줘야만 고온의 유지가 가능해지는 것이다.

이에 반해, 반사기가 설치되어 있는 본 발명의 반응기를 살펴보면, 도 3(b)에서 슬림 로드의 주위로 고온의 영역이 넓게 분포되어 있고, 도 4(b)에서도 Si가 매우 빠른 속도로 균일하게 슬림 로드에 증착되고 있음을 알 수 있다. 이는 반사기에 의해 외부로 유출되는 복사에너지가 상당량 차단되고, 반사를 통해 다시 트리클로로실란의 열분해 반응에 기여한 결과로서, 이러한 반사기 설치를 통해 실리콘 석출에 필요한 고온의 유지에 소요되는 에너지량을 크게 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 3(c)도 반사기가 설치되어 있으므로 슬림 로드 주위로 고온의 영역이 넓게 분포되어 있고, 도 4(c)에서도 Si가 빠른 속도로 슬림 로드에 증착되고 있음을 알 수 있다. 다만, 상기 (b)에 비해 반사율이 낮기 때문에, 상대적으로 (b)보다 반응기 내부온도가 낮고, Si의 증착속도로 느리며 불균일한 점을 보이고 있어, (b)와 같이 반사율이 50% 이상인 반사물질을 사용하는 것이 더욱 효과적임을 확인할 수 있다.

1: 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기
2: 반사기
3: 슬림 로드

Claims (8)

1. 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성되고,
   상기 반사물질은 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 반사기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 반사기.
   
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 반사물질은 반사율이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 반사기.
   
4. 삭제
5. 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기의 내부에 삽입되고, 상기 반응기에 설치되어 있는 슬림 로드를 수용할 수 있는 소정의 내부 공간을 가지며, 내벽에 반사물질이 형성된 반사기를 포함하고,
   상기 반사물질은 Mo, Ta 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 반사물질은 녹는점이 1500℃ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기.
   
7. 청구항 5 또는 6에 있어서,
   상기 반사물질은 반사율이 50％ 이상인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조용 CVD 반응기.
   
8. 삭제

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