KR101453575B1 - Ｃｖｄ 반응기의 개선된 폴리실리콘 증착 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학기상증착(이하, 'CVD'라 함)에 의한 대량 폴리실리콘 생산을 위한 방법 및 공정에 관한 것으로 종래 일반적으로 지멘스형 반응기에서 사용되는 실리콘 "슬림로드"가 유사한 전기적 특성을 갖지만, 실리콘 튜브, 리본 다른 형태의 단면과 같은 큰 표면적을 갖는 실리콘 필라멘트로 치환된 것이다. 실리콘 함유가스는, 예를 들면 염화실란(Trichlorosilane) 또는 시레인(silane)은 분해되고 필라멘트의 뜨거운 표면에 실리콘 증착을 형성한다. 이러한 필라멘트의 큰 초기 면적은 반응기 크기를 변화하지 않고 필라멘트의 길이나 갯수를 증가하지 않고 보다 큰 생산률을 확보할 수 있다. 종래 반응기는 새로운 필라멘트를 이용하여 필라멘트 지지부의 치환 또는 개선이 필요하다. 상기 필라멘트는 EFG(Edgd-defined, Film-fed Growth) 방법으로 성장된다. 결과적으로 새로운 반응기에서 이것은 또한 필라멘트의 도핑과 전원공급의 단순화를 가능하게 한다.

화학기상증착, 폴리실리콘, 반응기, 필라멘트

Description

ＣＶＤ 반응기의 개선된 폴리실리콘 증착{INCREASED POLYSILICON DEPOSITION IN A CVD REACTOR}

본 출원은 2006년 4월 28일 출원된 미국특허출원 11/413,425를 우선권 주장한 것이다.

본 발명은 실리콘의 화학기상증착(이하, 'CVD'라 함)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동일한 일반적인 디자인의 CVD 반응기에서의 증착을 위해 종래의 고형의 슬림로드(solid slim rods) 보다 큰 초기(starting) 표면적을 가지도록 형상화된 실리콘 필라멘트의 사용에 관한 것이다.

광전지산업에서 폴리실리콘의 이용이 빠르게 성장하고 있으며 2005년에는 그 수요가 마이크로 전자산업에 의한 폴리실리콘의 이용과 동일한 수준이다. 광전지산업의 급속한 성장은 마이크로 전자산업의 7 내지 10%와 비교되는 15 내지 30%(30 내지 45% 사이의 연간성장률을 갖는다) 사이로 기대되며, 이것은 광전지산업에 있어서의 폴리실리콘의 보다 많은 수요에 기인한 것이다. 상기 실리콘 웨이퍼비용은 광전지(이하, 'PV'라 함) 모듈비용의 약 25 내지 33% 를 형성하고 이것은 광전지산업에서 실리콘 반도체장치비용의 5% 보다 작은 것이다. 그러므로 PV 산업에서 폴리실리콘의 차지하는 비용 감소는 당연한 것이다.

상기 PV 산업은 작은 결점과 약간의 불순물을 갖는 폴리실리콘을 이용하고 있는 것으로 알려져 있다.

폴리실리콘 생산의 종래 알려진 방법 중의 하나는 CVD 반응기에서 폴리실리콘 증착에 의한 것이고, 지멘스(Simens) 방법으로 알려져 있다. 종래기술을 도시한 도1에 의하면, CVD 반응기는 베이스플레이트(23), 챔버벽, 또는 석영 벨형 단지(quartz bell jar,17)를 포함한다. 그리고 베이스플레이트(23)에서 가스입력부(20)와 가스출력부(21) 그리고 전기적 관통배관(19)이 결합된다. 상기 조망부(22)가 내부 감시 또는 온도 측정을 위해 제공된다.

CVD 를 이용한 종래기술에 의한 폴리실리콘 제조에서, 고순도의 실리콘 슬림로드의 구조는 두개의 길고, 이격된, 수직 로드(1과 3) 상에 수평적으로 배치된 수평 로드(2)를 가짐으로써 헤어핀의 형태로 조립된다. 이와 같은 구조는 전기적 관통배관(19) 사이의 전류 경로를 제공하도록 설치되고 연결된다.

CVD 공정동안에, 폴리실리콘 증착물이 실리콘 슬림로드에 균일하게 축적된다. 상기 증착물(41)은 실리콘 슬림로드의 구조를 볼 수 있도록 부분적으로 제거된다. 다른 사용자는 수직 로드에 수평 로드를 결합하기 위해 다른 방법을 이용한다. 한 가지 방법은 각 수직 로드의 상부에 키슬롯(key slot) 또는 그루브를 필요로 한다. 2개의 수직 로드를 브릿지하도록 그루브내로 가압되어 고정되도록, 작은 카운터 보어(counter bore) 또는 그와 같은 장치가 수평 로드의 단부에 형성된다. 이런 실리콘 슬림로드는 고순도 실리콘으로부터 제작되기 때문에, 실리콘 슬림로드의 대응하는 전기적 저항은 매우 높다. 그러므로, 공정의 초기 단계 동안, 전류를 이용하여 이런 실리콘 슬림로드를 가열하는 것은 매우 어렵다.

종종 실리콘 슬림로드는 전도성이 좋고 전류에 의해 가열하기 쉬운 금속 슬림로드로 치환된다. 이러한 방법은 로저스 하이츠(Rogers Heitz) 방식이라고 한다. 그러나, 금속 CVD법의 도입은 금속오염을 초래할 수 있다. 폴리실리콘 생산의 오염은 반도체/마이크로전자산업 분야에서 용납될 수 없는 것이다. 그러나, 광전지산업에서, 태양전지를 제작하기 위해 사용되는 웨이퍼는 일반적으로 주기율표 그룹 3의 원소, 예를 들면 브롬(B) 또는 그룹 5의 원소 예를 들면 인(P)으로, 전도성을 좋게 하기 위해 도핑된다.

순수 실리콘의 비저항은, 실온에서의 실리콘 슬림로드에 대해 10⁶Ω.㎝로부터 1200℃에서 0.01Ω.㎝까지의 범위로, 온도에 대해 강한 기능이 된다. 그러나, 도핑실리콘은 다른 활성을 보인다. 도펀트(dopant)의 농도에 따라, 예를 들면 브롬의 농도에 따라, 비저항은 특정 시점까지 온도와 함께 증가하고, 다음에 진성(intrinsic)의 실리콘 슬림로드와 같이 된다. 실온에서, 10¹⁸atom/㎤로 브롬 도핑한 실리콘 슬림로드는 약 0.05Ω.㎝이다. 폴리실리콘이 광전지 분야에 이용될 때, 불순물, 특히 도펀트 이온에 대해서는, 어느 정도 허용된다.

지멘스형 공정을 처리하기 위한 종래기술에 의한 반응기는 복잡한 서브시스템의 구조를 포함한다. 외부 히터가 전기 저항율 또는 전류 흐름에 대한 임피던스의 감소를 위해 고순도의 실리콘 슬림로드의 온도를 약 400℃까지 상승시키는데 이용된다. 종종 외부가열은 할로겐 가열 또는 플라즈마 방전 가열의 형태로 적용된다. 일반적으로, 실리콘 슬림로드의 저항 가열을 위해 다중탭 전원공급장치가 요구된다. 상기 전원공급장치는 초반 가열 동안 매우 높은 전압 및 낮은 전류를 제공하며; 실리콘 슬림로드의 저항율이 더 높은 온도에 의해 감소되어질 때 후반에 상대적으로 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 제공한다.

높은 전압 스위칭 장치가 전원레벨탭들 사이의 스위칭을 위해 필요로 된다. 실리콘 슬림로드를 통해 높은 전압에서 낮은 전류를 보내는 제1 공정은 실리콘 슬림로드의 온도가 약 800℃에 이르기까지 계속된다. 이런 온도에서, 고순도의 실리콘 슬림로드의 저항은 급격히 저하되고, 고전압원은 높은 전류를 공급할 수 있는 저전압원으로 스위치된다. 그러나, 약 800℃에서 실리콘 슬림로드에 의해 떨어진 전류는 폭주 특성(run away nature)을 띠기 때문에, 저전압원으로 높은 전압을 스위칭하는 것은 매우 세심한 주의가 필요하다.

CVD 공정 동안에, 실리콘은 실리콘 슬림로드의 뜨거운 표면에 증착하고, 얻어진 실리콘 슬림로드의 직경은 점점 커진다. 일정한 가스공급의 조건 하에서, 반응기 압력, 성장하는 실리콘 슬림로드의 표면온도(예를 들면, 분해가스로 삼염화실란(Trichlorosilane)을 이용하는 동안 1100 ℃), 직경의 증가비율(또는 분당 마이크로미터의 증착율)은 다소 일정하다. 실리콘 슬림로드의 일반적인 초기 크기는 굴곡형 또는 사각형 단면의 약 7mm이다. 금속 와이어의 슬림로드 크기는 더 작다. 그러므로, 실리콘 슬림로드의 직경이 작을 때, 시간당 ㎏의 생산비는 초기 단계에서 매우 낮다.

종래 CVD 반응기의 한 종류에서, 고순도 실리콘은 SiHCl₃ 과 H₂ 의 반응에 의해 일반적으로 7mm 직경의 슬림로드 위에 증착된다. 일반적인 반응기에서, 슬림로드의 구조가 조립되는데, 이러한 배치는 슬림로드들 사이의 방사열 전달, 외측벽으로의 열손실, 및 슬림로드 상의 실리콘의 증착 속도에 기초한다. 더 빠른 증착 속도는 마이크로전자 산업분야에서 용납될 수 없는 폴리실리콘 제품에서의 결함을 초래할 수 있다. 그러나, 광전지산업분야에서는 이런 작은 결함의 처리를 연구하기 시작했다.

종래에는 슬림로드의 수를 단순화하거나 증착 속도를 증가시키기 위해서 현재 CVD 반응기의 향상을 도모하여 왔지만, 새로운 반응기가 종래의 반응기 디자인에서 상당히 벗어나 있기 때문에, 이러한 노력은 널리 허용되지 않았으며, 상용화 이전에 현재 CVD 반응기를 개조하거나 대체하고, 모든 다른 파라미터들을 최적화하기 위해서는 매우 비싼 비용과 시간이 소모될 것이다.

본 발명의 목적은, 실리콘 증착을 위한 초기 표면적이 증가하도록, 종래의 슬림로드 대신에, 유사한 전기적 특성의 실리콘 튜브, 리본 또는 기타의 표면적이 증가한 필라멘트 형상과 같은, 실리콘 형상을 이용함으로써 종래 CVD 반응기의 처리량을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

예를 들면, 종래의 슬림로드 대신에, 50mm 직경의 실리콘 필라멘트를 이용하여, 제품 품질의 저하 없이 그리고 반응기에 대한 상당한 변화없이, 수율은 30-40%까지 증가될 수 있다. 대안적인 필라멘트를 이용하는데 요구되는 반응기의 디자인 변경은 현재 CVD 반응기를 신속하고 매우 소액의 비용으로 개조할 수 있다는 점에서 너무 사소한 것이다. 추가적인 비용 절감 혜택과 함께, 동일한 기본 디자인의 새로운 반응기에 훨씬 더 용이하게 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 필라멘트로서의 실리콘 슬림로드에 대해 디자인된 기존 지멘스 반응기의 최소 변경으로, 표면적이 증가한 실리콘 필라멘트 형상의 사용에 의해 생산량을 증가시키는 것이다. 새로운 필라멘트의 적절한 단면적을 선택함으로써, 필라멘트 가열의 시작(launching)에 필요한 고전압은 슬림로드에 대해 이용되는 고전압과 동일하게 될 것이다. 그러므로, 반응기 시스템의 비싼 부품인, 동일한 전원공급장치가 사용될 수 있다. 이것은 매력적인 본 발명의 실리콘 필라멘트를 사용한 종래 반응기의 개조가 이루어지게 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 공정의 정지 시간(downtime)에 의존하는, 중공형 필라멘트의 적절한 초기 직경을 선택하기 위한 가이드라인을 제공하는 것이다. 공정의 정지 시간은 다음 작업에서의 실리콘 함유 가스의 통과 개시까지, 증착 주기 동안의 전원 차단(증착의 종료) 사이의 시간으로 정의된다. 정지 시간은 반응기의 냉각, 반응가스의 퍼징(purging), 부산물의 제거, 반응기의 정화, 필라멘트의 설치(mounting), 반응기의 퍼징, 필라멘트의 예열(preheating) 및 증착온도로의 필라멘트 가열을 포함한다. 전형적인 정지 시간은 생산 범위에서 6 내지 12 시간이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적절한 증착과 전기적인 특성을 가지는 표면적이 증가한 필라멘트로서 유용한 실리콘 형상을 성장하기 위한 비용 효과적인 방법을 제공하는 것이다. 광범위하게 알려진 EFG 방법과 적절한 다이를 적용하여, 실리콘 필라멘트 스톡(stock)의 서로 다른 크기와 단면형상이 빠른 속도로 연속적으로 성장될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 바람직한 단면형상, 크기 및 벽 두께를 갖는 다중 공동(multi-cavity) 다이 또는 다중 다이를 이용하여 동시에 동일한 용융탱크로부터 다중길이의 필라멘트 스톡을 성장시킴으로써 높은 효율의 실리콘 형상 성장 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 개시된 중공형 필라멘트와 같은 고도핑된(highly doped) 형상의 실리콘 필라멘트를 성장하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 실리콘 필라멘트는 p-형 또는 n-형으로 도핑될 수 있다. 앞에서 기술한 바와 같이 도핑된 실리콘 필라멘트의 이용은 외부 가열원에 의한 초기 실리콘 필라멘트의 예열의 필요성을 제거할 수 있고, 실리콘 필라멘트를 통해 직접 전류를 통과시킴으로써 실리콘 필라멘트의 가열을 시작하는데 필요로 되는 전압을 감소시킨다. 상술한 도핑된 실리콘 필라멘트는 전원공급장치와 제어회로를 단순화하고 CVD 반응기용 서브시스템의 비용을 감소한다. 또한 실리콘 필라멘트를 가열하는데 필요한 시간을 줄일 수 있다.

본 발명은 새로운 지멘스형 반응기를 제작하는 경우에 도핑된 실리콘 필라멘트를 이용할 때 특별한 장점이 있다. 상기 전원공급장치는 고전압(시작 단계에서 수천 볼트)을 요구하지않아 매우 단순한 구조가 될 수 있고, 전원공급장치의 비용, 즉 반응기 장비에서 주요한 구성요소의 비용이 현저하게 감소될 수 있다.

삭제

요약하면, 슬림로드를 이용하도록 디자인된 반응기에 종래 슬림로드와 유사한 전기적 특성의 비교적 큰 표면적의 실리콘 필라멘트를 제작하고 적용하는 본 발명은 실질적으로 유사한 반응기를 사용할 수 있음으로써 종래 반응기를 개선하는 비용과 새로운 반응기의 자본 비용의 비용 점감에 기여할 수 있으며, 특정한 높은 비용의 부품에서의 중요한 비용 절감과 함께 단위당 높은 수율 및 저비용에 기여할 수 있다.

도1은 종래기술에 의한 CVD 반응기의 사시도이며 코팅 또는 폴리실리콘층이 지멘스공정의 동작에 의해 반응기 내의 목적물에 증착되는 것으로 슬림로드를 이용한 것을 도시한 것이고,

도2는 CVD 반응기의 사시도이며, 보다 큰 초기 노출면적의 박막형 폴리실리콘 구조는 도1의 슬림로드를 치환한 것이고, 코팅 또는 폴리실리콘층은 지멘스공정의 동작에 의해 반응기 내에서 증착되는 구조를 도시한 것이고,

도3A, 3B, 3C 및 3D는 도2의 반응기 내에서 이용하기 위한 다양한 단면을 갖는 실리콘 필라멘트의 예를 도시한 것이고,

도4A는 다른 정지 시간을 가정하여 연간 생산량으로 추정된 폴리실리콘 생산의 그래프를 도시한 것이고,

도4B는 실리콘 필라멘트의 단면을 도시한 것으로 2mm 벽두께를 갖는 초기와 120mm 직경에 증착에 의해 성장한 완성기를 도시한 것이고,

도5는 소정 mm 이내의 적절한 벽두께를 갖는 실리콘 필라멘트에 있어서 초기의 튜브 직경을 선택하기 위한 그래프를 도시한 것이고,

도6은 도2의 반응기에 있어서 실리콘 필라멘트로서 실리콘구조를 성장하기 위한 방법 및 장치의 단면을 간략하게 도시한 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 작동상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 의한 실리콘 필라멘트는 폴리실리콘 제조에 있어서 CVD 반응기 내의 종래의 슬림로드를 치환하는데 이용된다. 도2를 참고하면 본 발명의 실시예는 아날로그형 종래 CVD 반응기를 도시한 도1의 슬림로드(1,2,3)를 치환하여 구비된 CVD 반응기 내의 초기의 필라멘트 구조로서 실리콘 필라멘트부(31,32,33)의 하나 또는 또 다른 하나를 이용한 것이다.

다른 단면구조를 갖는 실리콘 필라멘트부는, 그 형상이 고형의 슬림로드 보다 증착용으로 보다 크게 이용할 수 있는 면적이며, 다양한 단면구조가 본 발명의 사상 범위 내에 있다 할 수 있다. 실리콘 필라멘트부는, 증착과 전기적 특성이 변함이 없다면, 관형 또는 별모양 종축부를 연결한 평면 또는 리본 필라멘트 브릿지부와 같은, 단면 구조의 혼합으로 될 수 있다.

실리콘 필라멘트부의 적절한 벽두께와 단면적의 선택으로, 전기적 저항특성은 디자인에 의해 슬림로드 특성에 근사화될 수 있다. 이것은 도2에 도시된 반응기의 실리콘 필라멘트를 가열하도록 이용될 수 있는 도1에 도시된 반응기의 슬림로드를 가열하도록 디자인되고 이용되는 전원공급장치를 가능하게 한다.

실리콘 필라멘트를 이용하여, 종래 지멘스 반응기에서와 같은 전원공급장치의 하나의 전류루프에서 슬림로드의 동일한 전체길이를 가정하여, 실리콘 필라멘트를 가열하는데 필요한 전원은, 즉 초기 단계에서 필요로 되는 최대전압은 에너지 밸런스에 기초한 새로운 필라멘트의 단면적 그리고 외주 또는 표면적에 의해 결정될 것이다. 당해 기술분야의 전문가들은 슬림로드와 같은 유사한 전기적 특성을 가지는 중공형 필라멘트와 같은 대안적인 표면적이 증가한 필라멘트 프로파일을 디자인하는데 요구되는 수치를 올바르게 인식하여야 한다.

중공형 필라멘트의 경우에 있어서, 슬림로드를 가열하는 단계 및 초기단계에서 이용되는 것과 같은 동일한 전원공급장치를 이용하도록 중공형 필라멘트의 두께와 외경(OD)은 이하의 관계를 만족하여야 한다.

4(d₀-δ)≥d₀d_Slim (1)

d₀ 는 중공형 필라멘트의 외경(OD)이고,

δ 는 튜브의 두께이고,

d_Slim 종래 슬림로드의 직경이다.

그러므로, 초기의 중공형 필라멘트의 직경에 따라, 도4B의 실리콘 튜브(31)의 벽두께 δ, 기준(W)은 도5에서와 같이 특정 값보다 커야한다. 예를 들어 초기 실리콘 튜브 외경(OD)이 50mm 라면, 7mm 직경의 슬림로드에 이용될 수 있는 전원공급장치를 이용하기 위하여, 중공형 필라멘트의 적절한 두께는 약 1.8mm 또는 그 이상이 될 수 있다.

약 2mm 벽두께, 50mm 직경의 중공형 필라멘트가 설명되지만, 크고 작은 직경 및 크고 작은 벽 두께 모두 본 발명의 사상 범위 내에 있는 것은 당연하다. 예를 들면 본 발명에 의한 실리콘 필라멘트에 있어서 벽두께의 유용한 범위는 약 1mm 부터 6mm 이거나 보다 유용하게는 도6에 도시된 것과 같이 약 1.75 mm 부터 3.5mm 이다. 중공형 필라멘트 직경의 유용한 범위는 약 10mm 부터 그 이상이고 튜브비용 및 반응기 크기에 따라 한정된다.

종래 슬림로드와 유사한 전기적 특성을 갖는 표면적이 증가한 형상의 실리콘 필라멘트를 사용하기 위해, 그렇지 않으면 종래 슬림로드를 사용하기에 적당한 반응기에서, 요구된 전기적 접속(contact)을 갖는 새로운 필라멘트에 적당한 구성을 제공하기 위해, 일반적으로 흑연으로 구성된 전극 스터드만이 변경 또는 대체될 필요가 있다. 일실시예에서, 도시된 부분(31,32,33)과 같은 실리콘 필라멘트부는 각각의 수직 부분(31, 33)의 상부에 있는 그루브 또는 키 슬롯(key slot)에 놓여진 수평브릿지 부분(32)과, 역 U자형 헤어핀을 형성하도록 이들의 교차지점에서 기계적으로 연결된다. 역 U자형을 형성하기 위해 실리콘 본체를 연결하는 다른 방법은 서로 다른 부분을 교차연결하는 실리콘 또는 순흑연으로 제작된 요소를 이용하는 것이다. 본 발명의 종축과 브릿지 부분 사이에 적절한 기계적 연결 및 전기적 연결을 만드는 다른 수단들은 본 발명의 범위 내에 있다. 상기 역 U자형 필라멘트 구조는 전극스터드에 설치되고 한 쌍의 전기적 관통배관(19) 사이의 전류경로를 제공하도록 연결된다. CVD 공정 동안, 종래의 전원공급장치가 필라멘트를 가열하는데 이용되고, 폴리실리콘 증착물(41)은 실리콘 필라멘트의 노출표면에 균일하게 증착되며, 된다. 증착물은 여기서 실리콘 필라멘트 구조를 노출하도록 부분적으로 제거된 것으로 도시된다.

삭제

상기 실리콘 필라멘트 구조는 단면이 균일하거나 비균일하게 형성될 수 있고 길이를 따라 형성되며, 프로파일 또는 도3A 내지 도3D의 다른 단면과 같이 다른 단면을 갖는 실리콘 튜브, 실리콘 리본 또는 긴 형상의 실리콘 본체를 포함하며, 상기 구조에 한정하지 않는다. 주요 원리는, 초기 실리콘 필라멘트가 유사한 전기적 특성으로 슬림로드 보다 실리콘 증착을 위한 현저하게 큰 표면적을 가지는 것이다. 상대적으로 짧은 브릿지 부분은, 상대적으로 긴 종축부분이 설명된 바람직한 큰 표면적을 가지고 전체 필라멘트 저항이 정확하다면, 슬림로드와 유사한 고형 로드가 될 수 있다.

도3A 내지 도3D은 각각 실리콘튜브, 실리콘리본, X형 단면을 갖는 실리콘부재 및 별모양의 단면을 갖는 실리콘 부재를 도시한 것이다. 위 도면은 단지 도시한 것일 뿐 큰 표면적의 단면이 이용되는 것을 한정하는 것은 아니다.

도4A, 도4B 및 도5를 다시 참조해보면 초기 중공형 필라멘트의 최적의 크기는, 특히 외경과 두께는 몇가지 요소에 의해 결정되고, 상기 요소는 튜브크기, 필라멘트 비용, 필라멘트 가열의 단일성, 필요한 증착비(시간당 길이(mm/hour)), 공정기 정지 시간, 그리고 폴리실리콘 생산의 시장가치를 포함한다. 일반적으로, 초기 중공형 필라멘트 직경이 커질수록, 필라멘트 비용은 보다 비싸며, 필라멘트를 균일하게 가열하는 것이 어렵다. 성장율이 느려질수록, 또는 정지 시간을 낮출수록, 큰 직경의 초기 중공형 필라멘트를 제공하는 것이 더욱 이득이다. 도4A에 도시된 바와 같이, 초기 중공형 필라멘트에 대한 최적의 외경은 성장율 및 정지 시간에 의존한다는 점을 지적하는 것이 중요하다.

18개의 U자형 슬림로드를 갖는 종래 CVD 반응기를 이용하는 결과와, 삼염화실란(Trichlorosilane)과 수소혼합물로의 분당 13.6 마이크론의 평균 증착율을, 본 발명에 의한 생산기준과 비교하는 것이 유용하다. 도4A의 그래프는, 종래 CVD 반응기의 이전 기술에 의한 고형 슬림로드가 중공형 필라멘트로 치환될 경우, 본 발명에 의한 중공형 필라멘트의 외경(OD)의 기능과 같이 연간 실리콘 생산을 나타낸다. 또한 도4A는 시간축에서 성장시간과 전체생산량에서 주기 사이의 필요한 정지 시간의 효과를 도시한 것이다. 곡선 a,b,c,d 및 e 는 각각 24,12,8,6의 정지 시간를 갖는 동작에서의 생산량 곡선을 나타내고 이론적으로 CVD 주기에서 0시간 정지 시간를 도시한다. 도4B는 전체 CVD 주기가 120mm의 최종 직경 D_F 에 실리콘 증착물(41)을 성장을 한 후에 2mm 벽두께와 50mm 외경(OD)을 갖는 중공형 필라멘트(31)를 도시한 것이다.

도4에 도시된 데이터 형태는 종래 7mm 직경 고형 슬림로드를 도시한 것이고 성장시간은 70시간 보다 길고, 반응기는 정지 시간이 동작주기에서 6시간으로 제한될 때 연간 231 메트릭 톤(metric ton) 보다 적게 생산한다. 상기 고형 슬림로드가 본 발명의 50mm 외경의 중공형 필라멘트로 치환될 때 성장 또는 CVD 시간은 약 45시간으로 예상된다. 계산에서 동일한 6시간 정지 시간 곡선 d를 이용하면, 폴리실리콘의 304메트릭 톤(metric ton)이 연간 생산될 수 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 50mm 외경의 중공형 필라멘트의 이용은 약 6시간의 일반적인 정지 시간 하에서 생산량에 있어서 약 30% 이상 비율이다.

종래 CVD 반응기에서, 보다 높은 성장율은 마이크로전자 적용에 있어서 Czochralski 공정에 의한 크리스탈 성장의 연속적인 단계에서 문제점을 일으키는 증착 실리콘에서의 가스 갇힘(gas entrapment)을 초래한다.

여기에서 개시된 바와 같이, 필라멘트의 초기면적이 더 큰 경우에, 가스 갇힘 없이, 높은 증착 속도로 시작하고, 증착 속도를 증가시킬 수 있다. 폴리실리콘 생산 후에 광전지 적용에 있어서 연속적인 단계는 열교환기 방법(HEM) 또는 직접 고형화 시스템(DSS)에 의한 일반적인 다중 크리스탈라인 주괴(ingot) 성장이,며 실리콘에서 미량의 가스 갇힘 문제가 없고, 보다 빠른 증착 속도를 가능하게 한다. 폴리실리콘 증착 속도가 빠르고 전체 생산 수율이 높을수록, 광전지 산업에 있어서 매우 중요한 생산 비용절감을 가져온다.

마이크로전자 적용에 있어서 생산된 폴리실리콘 순도는 매우 높고 전체 금속불순물 1억분 1(1 part per billion)미만일 정도로 매우 높다. 대조적으로 태양전지에 있어서 실리콘 웨이퍼는 불순물이 1000배 정도이며 전체 금속불순물 1백만분의 1(1 part per million)보다 적은 유연한 필요조건을 갖는다. 실제로 태양전지적용에 있어서 대부분의 실리콘은 가공 태양전지 이전의 약 1백만 원자 분의 0.5(0.5 part per million)에 브롬(B)으로 도핑된다. 그러므로 광전지 적용에 있어서 폴리실리콘 생산은 브롬 또는 다른 적절한 도펀트(dopant)로 도핑되는 것과 유사하게 본 발명의 필라멘트를 이용할 수 있다; 그리고 결과적으로 낮은 저항은 폴리실리콘 증착의 초기 단계 동안에 필라멘트의 직접 저항가열을 촉진한다. 이것은 복잡한 서브시스템구조와 두 개의 전원과 같은 필요사항을 제거한다; 제1 전원공급장치는 매우 높은 전압과 낮은 전류를 공급할 수 있고 제2 전원공급장치는 결합된 스위칭회로를 부가하여 상대적으로 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 유지한다. 두 개의 전원공급장치와 스위치회로는 간단한 전류공급시스템과 온도제어시스템으로 치환될 수 있다. 이것은 디자인에서 유사한 구조를 갖는 새로운 반응기가 종래 반응기를 개선한 것이기 때문에 장비비용이 보다 적게 지출될 수 있다. 이와 같은 치환과 동작은, 결과적으로 순도기준이 수용할 만한 것이라면, 초기 공정에서 복잡함과 시간소비, 정지 시간를 방지할 수 있고 생산량을 증가할 수 있다.

본 발명은 삼염화실란(Trichlorosilane)의 반응을 포함하는 폴리실리콘 증착을 이용한 CVD 반응기에 제한되지 않으며, 슬림로드를 본 발명에 따른 큰 표면적 및 유사한 전기적 저항 특성의 갖는 것으로 치환하여 시레인(silane), 디콜로시레인(dicholosilane), 또는 가스의 유도체 또는 조합물를 포함하는 반응에서 이용될 수 있다.

중공형 필라멘트가 표면적이 증가한 필라멘트의 다른 변화를 취할 수 있으며, 본 발명은 중공형 필라멘트 구조에 한정되지 않는다. 도5는 도3의 실리콘 필라멘트 구조(31,32,33)를 제조하기 위한 방법 및 장치를 도시한 것으로, 도3은 본 발명에 의한 적절한 단면을 갖는 다른 큰 표면을 갖는 구조를 도시한 것이다.

상기 방법은 EFG(Edge-defined, film fed growth) 방법과 같이 일반적으로 설명된다. 본 발명의 구체적인 실시예는 흑연 또는 석영 도가니(crucible, 53)에 포함된 실리콘 용융풀(54)을 구성한다. 상기 용융은 저항으로 가열되거나 유도히 터(55)로 가열되며 연속적으로 실리콘 고형 또는 액체(57)를 공급하여 실리콘 공급기(56)로 채워진다. 형상 가공다이로부터 결정화되는 실리콘 구조(51)는 본 발명의 필라멘트부가 얻어질 수 있는 스톡(stock)이다. 이와 같은 장치 및 방법의 다양한 변화는 본 발명의 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 목적에 의하면 도3A 내지 도3D에 도시된 구조의 생산 및 본 발명의 다른 필라멘트 구조는 공통의 용융풀(54)에 의해 공급되는 다중 형상 가공다이(52)로 EFG 시스템을 이용하여 구성되며, 상기 다이는 동일한 또는 다른 필라멘트 단면구조가 될 수 있다.

필라멘트 벽두께 공차는 축방향으로 목표두께의 10% 내에서 유지될 수 있다. 튜브두께에서 이와 같은 변화는, 튜브의 얇은 부분이 두꺼운 부분 보다 약간 높은 온도를 갖고 높은 온도는 그 영역의 실리콘의 보다 빠른 성장을 초래하기 때문에, CVD 증착공정 동안에 균등하게 된다. 이러한 자기 보상현상은 종래 슬림로드 필라멘트를 이용한 CVD 공정에서 관찰된다.

본 발명의 실시예는 하나의 플레이트 또는 필라멘트 지지부로 구성된 한쌍의 마주하는 플레이트가 될 수 있는 베이스플레이트 시스템으로 구성되는 폴리실리콘의 대량생산품용 CVD 반응기와, 증착챔버를 형성하도록 베이스플레이트에 결합가능한 인클로저(enclosure)이다. 상기 실시예는 필라멘트 지지부의 챔버 내에 구비되는 적어도 하나의 실리콘 필라멘트와, 필라멘트를 가열하기 위한 베이스 플레이트 시스템에서 전기적 관통배관을 통한 필라멘트의 양단에 연결할 수 있는 전류원이 포함된다. 그리고 실리콘 함유가스원에 연결가능한 베이스 플레이트 시스템의 적어도 하나의 가스입력부와, 가스가 챔버로부터 방출될 수 있는 베이스 플레이트 시스템의 가스 출력부가 있다.

필라멘트는 적어도 20mm를 갖는 관형의 단면과 1/4 보다 크지 않은 외경에 대한 튜브 벽 두께의 비율을 갖는다. 초기 직경은 20mm 이상, 예를 들면 20-100mm 범위이고, 벽두께는 직경에 따른 범위일 수 있다. 선택적으로, 필라멘트는 중공형이고, 초기 직경은 40-80mm 범위이고, 벽두께는 1.75-6mm 범위이다. 일실시예의 필라멘트는 중공형이고, 약 50mm의 초기 직경과 약 2mm의 초기 벽 두께를 갖는다.

필라멘트는 주기율표(Periodic Table)의 그룹 3과 그룹 5 중 적어도 하나로부터의 원소로 도프(doped)될 수 있고, 실내온도에서 필라멘트의 임피던스는 10³ohm.cm 보다 작게 감소된다.

본 발명의 다른 실시예는, 폴리실리콘의 생산을 위한 CVD 반응기의 표면적이 증가한 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법으로, 용융상태로 실리콘 용융풀(melt pool)에서 실리콘을 가열하는 단계와, 다이(die)로 EFG 방법에 의해 용융상태에서 실리콘으로 성장시키는 단계로 구성되며, 실리콘구조는 60mm 보다 큰 외경을 갖는 단면과, 실내온도 1200deg.C 에서 10⁶ohm.cm 로부터 0.01 ohm.cm의 범위인 전류범위의 흐름으로 임피던스를 구성한다. 이 때 CVD 반응기 내에서 두개의 전극 사이에서 실리콘 구조의 적어도 하나의 부분을 구비하고, 필라멘트와 같은 기능을 할 수 있다. 전류로 필라멘트를 가열하고 실리콘 함유가스로 CVD 공정을 처리하며 필라멘트는 실리콘 증착을 수용한다. 상기 다이는 다중공 다이(a multi-cavity die)가 될 수 있다. 실리콘 구조의 도핑이 될 수 있고, 10³ohm.cm 미만으로 실내온도에서 임피던스를 감소하도록 한다.

또한 본 발명의 다른 예는 실리콘 함유가스 및 CVD 반응기를 이용하는 단계와, 상기 CVD 반응기에 40 내지 60mm 범위의 외경과 1.75 내지 6mm 범위의 벽두께를 갖는 박막형 실리콘 필라멘트를 배치하는 단계; 및 실리콘이 실리콘 필라멘트에 증착되는 CVD 공정을 처리하는 단계를 포함하고, CVD 공정이 중단될 때까지 실리콘 성장층을 수용하도록 실리콘 필라멘트가 전류에 의해 가열된다.

참고로 본 발명의 구체적인 실시예는 여러가지 실시 가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

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14. 폴리실리콘의 생산을 위해 CVD 반응기의 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법에 있어서,

    실리콘 용융풀에서 용융상태로 실리콘을 가열하는 단계와;

    다이(die)로 EFG 방법에 의해 용융상태에서 실리콘으로 성장시키는 단계와;

    실리콘 구조는 적어도 30mm의 외주연(an outer circumference)과 1/4보다 크지 않은 외주연(an outer circumference)에 대한 벽두께의 비율을 갖는 중공형 단면을 포함하고,

    상기 실리콘 구조의 적어도 일부를 상기 CVD 반응기 내의 두 개의 전극 사이의 필라멘트로서 배치하는 단계와;

    전류로 상기 필라멘트를 가열하는 단계; 및

    상기 반응기 내에서 실리콘 함유가스로 CVD 공정을 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
15. 제14항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 일면은 U 형상 필라멘트로 조립된 상기 실리콘구조의 삼면을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
16. 제14항에 있어서,

    상기 다이(die)는 다공 다이(a multi-cavity die)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
17. 제14항에 있어서,

    주기율표의 그룹 3과 그룹 5 중 적어도 하나로부터의 원소로 실리콘 구조를 도핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
18. 제14항에 있어서,

    상기 다이는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
19. 제14항에 있어서,

    상기 다이는 석영(quartz)을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 필라멘트를 이용하고 제작하는 방법.
20. 폴리실리콘 생산방법에 있어서,

    실리콘 함유가스와 CVD 반응기를 이용하는 단계와;

    상기 CVD 반응기에 40 내지 60mm 범위의 외주연(an outer circumference)과 1.75 내지 6mm 범위의 벽두께를 갖는 박막(thin wall)형의 실리콘 필라멘트를 배치하는 단계; 및

    실리콘 필라멘트가 전류에 의해 가열되고 실리콘이 실리콘 필라멘트에 증착되는 CVD 공정을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 생산방법.

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