KR101538205B1 - 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몸체; 상기 몸체 내부로 가스를 유입시키는 가스 유입부; 상기 몸체의 둘레면에 복수 개가 형성되며, 상기 가스 유입부를 통해 상기 몸체 내부로 유입된 가스를 외부로 유출시키는 가스 유출부; 및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부를 포함하고, 상기 몸체 내에는 상기 가스 유입부와 상기 가스 유출부를 연결하는 연통로가 형성되며, 상기 가스는 상기 연통로 내부를 유동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치에 관한 것이다.

Description

히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치{GAS PROVIDING NOZZLE HAVING A PROPERTY OF HEATING AND APPARATUS FOR MANUFACTURING POLYSILICON COMPRISING THE SAME}

본 발명은 지멘스 반응기에 사용되는 가스 공급 노즐에 관한 것으로, 보다 상세하게는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치에 관한 것이다.

폴리실리콘은 반도체 소자, 태양전지 소자 등의 원료가 되는 물질로 최근 그 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 이러한 폴리실리콘은 하기 반응식 1에 나타난 바와 같이, 삼염화실란 기체와 수소 기체를 반응시켜 제조될 수 있다.

[반응식 1]

SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl

현재 상용되는 고순도용 폴리실리콘은 대부분 지멘스(Siemens) 공법으로 불리는 화학기상증착 방법을 통해 제조되고 있다. 도 1에는 종래의 지멘스 공법에 따라 폴리실리콘을 제조하는 장치의 개략도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 지멘스 공법에 따른 폴리실리콘 제조 장치는 종형 반응기(10) 내부에 실리콘 로드(20)가 구비되어 있으며, 상기 실리콘 로드(20)의 말단이 전극(30)과 연결되어 있다. 또한, 상기 반응기 내부로 반응 가스인 삼염화실란 기체 및 수소 기체를 공급하기 위한 가스 공급 노즐(40)이 구비되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 지멘스 반응기를 이용하여 폴리실리콘을 형성하는 방법은 다음과 같다. 먼저 전극(30)을 통해 실리콘 로드(20)에 전류를 흘러주면서, 상기 가스 공급 노즐(40)을 통해 반응 가스를 반응기 내부로 공급한다. 실리콘 로드(20)는 공급된 전력에 의해 표면 온도가 약 1000~ 1150℃까지 가열되고, 반응가스가 상기 가열된 실리콘 로드(20) 표면에서 열분해되면서 고순도의 폴리실리콘이 실리콘 로드 상에 증착되게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 지멘스 반응기는 통상 65 ~ 200KWh/kg 정도의 많은 전기 에너지를 소비하며, 이러한 전기 에너지에 대한 비용이 폴리실리콘 제조 비용 중 매우 큰 비중을 차지한다. 따라서, 폴리실리콘 제조 단가를 낮추기 위해, 적은 에너지로 폴리실리콘을 제조할 수 있는 기술을 개발하는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력 소모를 최소화할 수 있도록 개발된 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하고자 한다.

일 측면에서, 본 발명은 몸체; 상기 몸체 내부로 가스를 유입시키는 가스 유입부; 상기 몸체의 둘레면에 복수 개가 형성되며, 상기 가스 유입부를 통해 상기 몸체 내부로 유입된 가스를 외부로 유출시키는 가스 유출부; 및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부를 포함하고, 상기 몸체 내에는 상기 가스 유입부와 상기 가스 유출부를 연결하는 연통로가 형성되며, 상기 가스는 상기 연통로 내부를 유동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐을 제공한다.

상기 가스 공급 노즐은 그래파이트(graphite), SiC, SiC로 코팅된 그래파이트, 텅스텐 또는 탄탈륨 등의 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

다른 측면에서, 본 발명은 반응 반응 챔버; 상기 반응 챔버 내에 장착되는 적어도 하나 이상의 실리콘 로드; 상기 실리콘 로드에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및 상기 반응 챔버 내로 반응 가스를 공급하는 가스 공급 노즐을 포함하며, 상기 가스 공급 노즐은, 몸체; 상기 몸체의 둘레면에 복수 개가 형성되며 상기 몸체 내부로 반응 가스를 유입시키는 가스 유입부; 상기 가스 유입부를 통해 상기 몸체 내부로 유입된 반응 가스를 외부로 유출시키는 가스 유출부; 및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부;를 포함하되, 상기 몸체 내에는 상기 가스 유입부와 상기 가스 유출부를 연결하는 연통로가 형성되며, 상기 반응 가스는 상기 연통로 내부를 유동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐인 폴리실리콘 제조 장치를 제공한다.

본 발명과 같이 히터 기능이 구비된 가스 공급 노즐을 사용할 경우, 가스 공급 노즐을 통과하는 반응 가스의 온도를 높일 수 있어, 반응기 안에 차가운 가스가 직접 유입됨으로 인해 발생하는 전력 소모를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 지멘스 반응기의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 가스 공급 노즐의 일 구현예를 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명자들은 폴리실리콘 제조 단가를 낮추기 위해 지멘스 반응기의 전력 소모량을 감소시키기 위한 연구를 거듭한 결과, 지멘스 반응기 내로 도입되는 반응 가스의 온도를 높일 경우 전력 소모를 줄일 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하였다.

종래의 지멘스 반응기의 경우 반응기 내부로 주입되는 반응 가스의 온도는 약 70℃로 정도인데 반해, 실리콘 로드의 표면 온도는 1000~ 1150℃ 정도로 매우 높다. 따라서 실리콘 로드 표면 열의 상당 부분을 차가운 반응 가스가 빼앗아가게 되며, 그 결과 실리콘 로드 표면 온도를 유지하기 위해 많은 전력이 소모되었다. 따라서 본 발명자들은 반응 가스를 반응기 내부로 공급하는 가스 공급 노즐에 가열 기능을 부여함으로써, 반응기에 도입되는 반응 가스의 온도를 높혀 반응 가스에 의해 소모되는 열을 줄임으로써 반응기 내부의 전력 사용량을 절감할 수 있도록 하였다.

본 발명의 가스 공급 노즐은 히터 기능을 구비한 것을 그 특징으로 한다. 상기 히터 기능을 구현하기 위한 수단은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 노즐에 전류를 인가하여 노즐 표면 온도를 높이거나, 노즐 내부 또는 외부에 열선을 설치하는 등의 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 도 2에는 본 발명의 가스 공급 노즐의 일 구현예가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 가스 공급 노즐은 가스 공급 노즐을 형성하는 몸체(42)와, 상기 몸체 내부로 가스가 유입되는 가스 유입부(44)와, 유입된 가스를 반응기 내부로 공급하기 위한 적어도 하나의 가스 유출부(46), 및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부(48)을 포함한다. 도 2에는 상기 가열부(48)가 몸체에 전력을 인가하는 전극으로 형상화되어 있으며, 상기 전극(48)을 통해 전류가 인가되면 가스 공급 노즐의 몸체(42)가 가열되면서 히터 기능을 수행하게 된다. 다만, 도 2에 개시된 구성은 본 발명의 가스 공급 노즐의 일례에 불과하며, 본 발명이 이로써 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 도시되지는 않았으나, 가스 공급 노즐의 몸체 외부에 열선을 설치하는 방식으로 가열부를 구현할 수도 있다.

본 발명과 같이 가스 공급 노즐이 히터 기능을 구비할 경우, 반응 가스의 온도가 높아져 반응 가스와 실리콘 로드 표면의 온도 차이에 의한 열 손실이 줄어들어 반응기의 전력 사용량을 절감하는 효과가 있다. 또한, 종래의 지멘스 반응기에서는 실리콘 로드에 전원을 인가하기 전에 실리콘 로드의 저항을 낮추기 위해 실리콘 로드를 예비 가열하는 예열기를 사용하는데, 본 발명과 같이 가스 노즐이 히터 기능을 구비할 경우, 노즐이 예열기 역할을 수행하기 때문에 별도의 예열기를 구비할 필요가 없다는 장점이 있다.

한편, 상기 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐에 의해, 반응 가스는 100℃ 내지 700℃ 정도, 바람직하게는 400℃ 내지 700℃ 정도, 더 바람직하게는 500℃ 내지 650℃ 정도로 가열되는 것이 바람직하다. 반응 가스 온도가 100℃ 미만이면 전력 소모량 감소 효과가 미미하며, 700℃를 초과할 경우, 반응 가스가 분해되어 반응기 내에 불순물이 발생할 가능성이 있기 때문이다.

한편, 상기 가스 공급 노즐의 재질은 내식성이 강하고, 반응성이 낮은 재질인 것이 바람직하며, 이로써 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 그래파이트(graphite), SiC, SiC로 코팅된 그래파이트, 텅스텐 또는 탄탈륨 등인 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치를 설명한다. 본 발명의 실리콘 제조 장치는 상기한 본 발명의 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하며, 보다 구체적으로는 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치는 반응 챔버, 상기 반응 챔버 내에 장착되는 적어도 하나 이상의 실리콘 로드, 상기 실리콘 로드에 전력을 공급하는 전력 공급부 및 반응 챔버 내로 반응 가스를 공급하며, 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐을 포함한다.

상기 반응 챔버는 베이스 플레이트와, 상기 베이스 플레이트와 연결되는 쉘을 포함한다. 상기 베이스 플레이트와 쉘은 폴리실리콘 생성 반응 동안 반응 챔버 내부의 기체가 새어나가지 않도록 밀봉 결합되며, 상기 쉘은 벨 형상인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 쉘은 외벽과 내벽으로 구성되며, 상기 외벽과 내벽 사이로 챔버 내부를 냉각하기 위한 열전달 액체(냉각수)를 통과시킨다.

한편, 상기 실리콘 로드는 서로 이격되어 배치된 두 개의 직립 로드 필라멘트와 상기 직립 로드 필라멘트의 상단을 수평하게 연결하는 수평 로드 필라멘트로 구성되며, 반응 챔버 내에 적어도 1개 이상 구비된다.

다음으로, 상기 전력 공급부는 상기 실리콘 로드의 각각의 직립 로드 필라멘트의 하단부와 외부의 전기 에너지 공급원에 전기적으로 연결되어 실리콘 로드에 전류를 공급한다. 상기 전력 공급부는 예를 들면, 흑연 등으로 이루어진 전극일 수 있다.

다음으로, 상기 가스 공급 노즐은 상기한 바와 같이 반응 가스를 가열하기 위한 히터 기능을 구비하는 것을 특징으로 하며, 구체적인 사항은 상기에서 설명한 바와 동일하다.

10 : 반응기
20 : 실리콘 로드
30 : 전극
40 : 가스 공급 노즐
42 : 가스 공급 노즐 몸체
44 : 가스 유입부
46 : 가스 공급 통로
48 : 전극

Claims (9)

1. 몸체;
   상기 몸체 내부로 가스를 유입시키는 가스 유입부;
   상기 몸체의 둘레면에 복수 개가 형성되며, 상기 가스 유입부를 통해 상기 몸체 내부로 유입된 가스를 외부로 유출시키는 가스 유출부;
   및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부를 포함하고,
   상기 몸체 내에는 상기 가스 유입부와 상기 가스 유출부를 연결하는 연통로가 형성되며, 상기 가스는 상기 연통로 내부를 유동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 가열부는 상기 몸체에 전력을 인가하기 위한 전극인 가스 공급 노즐.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 가열부는 상기 몸체의 외부에 설치되는 열선으로 이루어지는 것인 가스 공급 노즐.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 가스 공급 노즐은 그래파이트(graphite), SiC, SiC로 코팅된 그래파이트, 텅스텐 및 탄탈륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 것인 가스 공급 노즐.
   
5. 반응 챔버;
   상기 반응 챔버 내에 장착되는 적어도 하나 이상의 실리콘 로드;
   상기 실리콘 로드에 전력을 공급하는 전력 공급부; 및
   상기 반응 챔버 내로 반응 가스를 공급하는 가스 공급 노즐을 포함하며,
   상기 가스 공급 노즐은,
   몸체; 상기 몸체의 둘레면에 복수 개가 형성되며 상기 몸체 내부로 반응 가스를 유입시키는 가스 유입부; 상기 가스 유입부를 통해 상기 몸체 내부로 유입된 반응 가스를 외부로 유출시키는 가스 유출부; 및 상기 몸체에 열을 공급하는 가열부;를 포함하되,
   상기 몸체 내에는 상기 가스 유입부와 상기 가스 유출부를 연결하는 연통로가 형성되며,
   상기 반응 가스는 상기 연통로 내부를 유동하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐인 폴리실리콘 제조 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 가열부는 상기 몸체에 전력을 인가하기 위한 전극인 폴리실리콘 제조 장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 가열부는 상기 몸체의 외부에 설치되는 열선으로 이루어지는 것인 폴리실리콘 제조 장치.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 가스 공급 노즐은 그래파이트(graphite), SiC, SiC로 코팅된 그래파이트, 텅스텐 및 탄탈륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 재질로 이루어지는 것인 폴리실리콘 제조 장치.
   
9. 제5항에 있어서,
   상기 가스 공급 노즐을 통해 반응 챔버 내부로 유입되는 반응 가스의 온도가 100℃ 내지 700℃인 폴리실리콘 제조 장치.

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