KR101543495B1 - 플라즈마 발생부를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응 가스를 플라즈마 처리하는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 공급받아 폴리실리콘이 생성되는 반응기를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치이며, 상기 플라즈마 발생부와 반응기가 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법에 관한 것이다.

Description

플라즈마 발생부를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING POLYSILICON COMPRISING PLASMA GENERATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING POLYSILICON USING THE SAME}

본 발명은 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 반응기와 분리된 플라즈마 발생부를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 또는 태양전지의 제조에 있어 주원료로 사용되는 폴리실리콘은 화학기상증착 반응기를 이용하여 실란 반응 가스로부터 실리콘을 석출하는 방법으로 얻으며, 일반적으로 지멘스(Siemens) 공법과 유동층 공법이 이용된다.

지멘스 공법은 종형의 반응기에 로드(rod)를 설치하고, 상기 로드에 전압을 가하여 전기 가열시킨 후 실란이 포함된 반응 가스 등을 주입하여 열분해 시켜 상기 로드에 실리콘이 증착되는 방법을 말한다. 또한, 유동층 공법은 반응기 내부로 반응가스를 최소유동화속도 이상으로 주입하면서 Si 종(seed) 입자들을 공급하고, 상기 Si 입자들을 전기저항가열방식으로 석출온도 이상으로 가열시킨 후 상기 반응기 내부로 실란이 포함된 반응가스를 공급하여 유동하는 Si 입자 표면에 실리콘을 증착하여 실리콘을 얻는 방법을 말한다.

그러나 이와 같은 종래의 방법은 전기저항가열을 이용하여 실란가스를 분해하여 Si를 원활히 석출하기 위해서는 반응기 내부의 온도를 1000℃이상으로 유지하여야 하므로, 에너지 소비량이 높아 적은 에너지로 폴리실리콘을 효율적으로 생산할 수 있는 장치에 대한 개발이 요구된다.

이에 본 발명은 반응기와 분리된 플라즈마 발생부를 도입함으로써, 반응가스의 해리율을 높여 실리콘 환원반응에 필요한 활성화된 화학종의 증가를 유도하여 상대적으로 생산성을 증가시킬 수 있는 폴리실리콘 제조 장치와 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

일 측면에서, 본 발명은 반응 가스를 플라즈마 처리하는 플라즈마 발생부 및 상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 공급받아 폴리실리콘이 생성되는 반응기를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치이며, 상기 플라즈마 발생부와 반응기가 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공한다.

상기 플라즈마 발생부는 열 플라즈마 방식 또는 비열 플라즈마 방식을 채용할 수 있다.

한편, 상기 플라즈마 발생부는 토치형 플라즈마 발생기 또는 챔버형 플라즈마 발생기를 사용할 수 있다.

또한, 상기 폴리실리콘 제조 장치를 가동할 때, 상기 반응기 내부 공간의 온도는 500 ~ 800 ℃인 것이 바람직하다.

다른 측면에서 본 발명은 플라즈마 발생부에 반응 가스를 공급하는 단계, 상기 공급된 반응 가스를 플라즈마 처리하는 단계, 상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 반응기로 공급하는 단계 및 상기 반응기 내부에서 폴리실리콘이 석출되는 단계를 포함하는 폴리실리콘의 제조방법을 제공한다.

덧붙여, 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 폴리실리콘 제조 장치는 반응기와 분리된 플라즈마 발생부를 도입함으로써, 반응 가스의 해리율을 높여 실리콘 환원반응에 필요한 활성화된 화학종을 유도하여 상대적으로 생산성을 증가시킬 수 있고, 반응 가스 분해공간과 폴리실리콘이 생성되는 공간을 분리하어, 반응기 내부의 부품 손상이나 생성된 폴리실리콘의 오염을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치의 일 구현예를 보여주는 도면이다.
도 2는 플라즈마 발생부에 설치되는 토치형 플라즈마 발생기 중 직류형 플라즈마 발생기의 일 실시예이다.
도 3은 도2의 직류형 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 플라즈마 발생부에 설치되는 토치형 플라즈마 발생기 중 RF-ICP형 플라즈마 발생기의 일 실시예이다.
도 5는 도 4의 RF-ICP형 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 플라즈마 발생부에 설치되는 챔버형 플라즈마 발생기의 일 실시예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만 하기 도면은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 작성된 일례에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 도면에서 일부 구성요소는 발명의 원활한 이해를 위해 과장 또는 축소하여 표현되거나 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치의 일 구현예를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치는 반응 가스를 플라즈마 처리하는 플라즈마 발생부(2) 및 상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 공급받아 폴리실리콘이 생성되는 반응기(3)를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치이며, 상기 플라즈마 발생부(2)와 반응기(3)가 분리되어 있는 것을 특징으로 한다.

플라즈마 발생부(2)와 반응기(3)를 분리함으로써, 반응 가스가 분해되는 공간과 폴리실리콘이 생성되는 공간이 분리되며, 이로 인하여, 플라즈마 처리된 반응가스로 인한 반응기 내부의 부품 손상이나, 생성된 폴리실리콘의 오염을 방지할 수 있게 된다.

상기 플라즈마 발생부는 열 플라즈마 방식 또는 비열 플라즈마 방식을 채용할 수 있다. 제조하고자 하는 폴리실리콘의 형태에 따라 적절히 채용할 수 있다.

이때, 상기 열 플라즈마 방식은 고온의 열을 이용하여 열분해하는 단계 및 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 열 플라즈마 방식은 다양한 크기의 입자형태로 폴리실리콘을 제조하는데 유리한 방식이다. 열 플라즈마 방식에 적용가능한 플라즈마 발생기는 토치형 플라즈마 발생기이며, 사용하는 전원장치에 따라 직류형 플라즈마 발생기 또는 RF-ICP형 플라즈마 발생기를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 비열 플라즈마 방식은 플라즈마의 운동에너지를 이용하여 반응 가스를 해리하는 단계를 포함하며, 상기 비열 플라즈마 방식은 결정성이 좋은 막 또는 청크 형태의 폴리실리콘을 제조하는데 효과적이다. 비열 플라즈마 방식에 적용가능한 발생기는 챔버형 플라즈마 발생기이며, RF-ICP형 전원장치를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 발생부는 이로써 제한되는 것은 아니나, 상기 열 플라즈마 방식 또는 비열 플라즈마 방식 중 채용되는 방식에 따라 토치형 플라즈마 발생기 또는 챔버형 플라즈마 발생기를 적절히 사용할 수 있으며, 이때, 상기 토치형 플라즈마 발생기는 직류형 플라즈마 발생기 또는 RF-ICP형 플라즈마 발생기를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2에는 본 발명에 사용 가능한 토치형 플라즈마 발생기 중 직류형 플라즈마 발생기의 일 실시예가 개시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 직류형 플라즈마 발생기는 음극부(6) 및 양극부(7)를 구비하며, 상기 음극부(6)와 양극부(7)는 전압에 의해 음극부(6)와 양극부(7) 사이에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 배치된다.

또한, 상기 플라즈마 발생기는 플라즈마 처리할 반응가스가 유입되는 가스 유입부(8)와 상기 음극부(6)와 양극부(7)의 과열을 방지하는 냉각수 공급부(9)가 추가로 구비될 수 있다. 한편, 도시하지는 않았지만, 공급되는 냉각수가 일정한 수압이 되지 않는 경우, 플라즈마 장치의 동작을 중단시키는 제어부가 추가될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가스 유입부(8)로부터 공급된 반응가스는 상기 음극부(6)와 양극부(7) 사이를 통과하면서 플라즈마 상태로 방전된다.

한편, 도 4에는 본 발명에서 사용될 수 있는 토치형 플라즈마 발생기의 다른 실시예인 RF-ICP형 플라즈마 발생기의 일 실시예가 개시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 RF-ICP형 플라즈마 발생기는 가스 유입부(11) 및 상기 가스 유입부(11)를 감싸는 인덕션 코일부(10)를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 인덕션 코일부(10)는 상기 플라즈마 발생부(2) 내부 중앙을 관통하는 가스 유입부(11)의 외주면에 나선형태로 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 인덕션 코일부(10)는 플라즈마 발생부(2)의 전원장치(4)에 연결되어 형성될 수 있으며, 인가된 전력으로 공급된 반응가스를 플라즈마 처리할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가스 유입부(11)로부터 공급된 반응가스는 플라즈마 발생기 내부를 통과하면서 인덕션 코일부(10)에 의해 플라즈마 상태로 방전된다.

또한, 냉각수 공급부(12)와 도시하지는 않았지만, 공급되는 냉각수가 일정한 수압이 되지 않는 경우, 플라즈마 장치의 동작을 중단시키는 제어부가 추가될 수 있다.

한편, 도 6에는 본 발명에서 사용될 수 있는 플라즈마 발생기의 다른 실시예인 챔버형 플라즈마 발생기의 일 실시예가 개시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 챔버형 플라즈마 발생기는 플라즈마가 발생하는 챔버, 상기 챔버를 감싸는 인덕션 코일부(13)를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 인덕션 코일부(13)와 연결되는 전원장치(14)와 챔버의 내벽에 유전체(15)를 구비할 수 있다. 상기 전원장치(14)로부터 인덕션 코일부(13)에 인가된 전력으로 챔버 내부에 공급된 반응가스를 플라즈마 처리할 수 있다.

한편, 상기 플라즈마 발생부(2)에 공급되는 반응 가스는 실란을 포함하는 유기실란계열의 가스 및 수소이며, 이로써 제한되는 것은 아니나, 모노실란, 디클로로실란, 트리클로로실란, 테트라클로로실란 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.

이때, 수소는 반응 가스로 사용됨과 동시에 플라즈마 방전 소스로도 사용될 수 있으므로, 플라즈마 발생을 위한 추가적인 가스를 공급하지 않아도 되는 효과가 있다. 다만, 상기 플라즈마 발생부(2)에 플라즈마 발생을 위한 방전시 효율성을 향상시키기 위해 비활성 가스를 추가로 더 공급할 수 있으며, 이로써 제한되는 것은 아니나, 아르곤, 질소, 헬륨, 네온 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 있어서, 폴리실리콘을 제조하기 위한 반응기(3)는 이에 한정되는 것은 아니나, 지멘스 반응기, 유동층 반응기 또는 고정층 반응기 또는 진공형 반응기가 될 수 있다.

또한, 상기 상기 폴리실리콘 제조 장치를 가동할 때, 상기 반응기 내부 공간의 온도가 500 ~ 800 ℃인 것이 바람직하다. 기존의 폴리실리콘 제조 공정에서는 반응이 원활히 일어나도록 하기 위해, 반응기 내부의 온도를 1000 ~ 1500℃로 유지해야 하므로, 그에 따른 고가의 생산비가 들어가는 반면, 본 발명에서는 반응기(3) 내부 공간온도가 현격히 낮아짐에 따라, 생산비가 절감되며, 상대적으로 생상량이 증가되는 효과가 있게 된다.

다음으로, 본 발명의 폴리실리콘 제조 장치를 이용한 폴리실리콘의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 폴리실리콘의 제조 방법은 플라즈마 발생부(2)에 반응 가스를 공급하는 단계, 상기 공급된 반응 가스를 플라즈마 처리하는 단계, 상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 반응기(3)로 공급하는 단계 및 상기 반응기(3) 내부에서 폴리실리콘이 석출되는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 플라즈마 발생부(2)에 반응 가스를 공급하는 단계에서 공급되는 반응 가스의 유량은 상기 반응기(3) 및 플라즈마 발생부(2)의 압력에 따라 유동적으로 변경될 수 있다.

한편, 상기 플라즈마 발생부(2)에서 공급된 반응 가스를 플라즈마 처리하는 단계에서는 상기 반응 가스가 초임계 유체 상태에서 플라즈마 처리될 수 있다. 상기 초임계 유체란 일정한 고온과 고압의 한계를 넘어선 상태에 도달하여 액체와 기체를 구분할 수 없는 시점의 유체를 가리킨다. 분자의 밀도는 액체에 가깝지만, 점성도는 낮아 기체에 가까운 성질을 가지며, 이로 인해 확산이 빨라 열전도성이 높아 본 발명과 같은 반응공정에 유용하다.

한편, 상기 플라즈마 처리되어 활성화된 반응 가스는 이송로(5)를 통해 반응기(3)로 공급된다. 이와 같이 반응기와 플라즈마 발생부를 분리함으로써 반응기 내부의 부품 손상이나 생성된 폴리실리콘의 오염을 방지할 수 있다.

한편, 상기 공급된 반응 가스를 플라즈마 처리하는 단계에서의 플라즈마 발생부(2)와 폴리실리콘이 석출되는 단계에서의 반응기(3)의 압력조건은 진공 ~ 대기압의 범위에서 목적하는 공정에 따라 조절할 수 있다.

한편, 상기 제조방법에 따라 생성되는 폴리실리콘은 채용되는 방식에 따라 입자형태, 막 형태 또는 청크형태의 다양한 형태로 제조될 수 있다.

1: 가스 공급부
2: 플라즈마 발생부
3: 반응기
4: 전원
5: 이송로
6: 음극부
7: 양극부
8: 가스 유입부
9: 냉각수 공급부
10: 인덕션 코일부
11: 가스 유입부
12: 냉각수 공급부
13: 인덕션 코일부
14: 전원장치
15: 유전체

Claims (11)

1. 반응 가스를 플라즈마 처리하는 플라즈마 발생부; 및
   상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 공급받아 폴리실리콘이 생성되는 반응기를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치이며,
   상기 반응기는 지멘스 반응기, 고정층 반응기 및 진공형 반응기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고,
   상기 폴리실리콘 제조 장치를 가동할 때, 상기 반응기 내부 공간의 온도는 500 내지 800℃이며,
   상기 플라즈마 발생부와 반응기가 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 발생부는 열 플라즈마 방식 또는 비열 플라즈마 방식인 폴리실리콘의 제조 방치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 발생부는 토치형 플라즈마 발생기 또는 챔버형 플라즈마 발생기를 포함하는 폴리실리콘의 제조 장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 토치형 플라즈마 발생기는 직류형 플라즈마 발생기 또는 RF-ICP형 플라즈마 발생기인 폴리실리콘의 제조 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 반응가스는 실란을 포함하는 유기실란계열의 가스 및 수소인 폴리실리콘 제조 장치.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 실란을 포함하는 유기실란계열의 가스는 모노실란, 디클로로실란, 트리클로로실란 및 테트라클로로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 폴리실리콘 제조 장치.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 반응가스에 비활성 가스를 추가로 더 공급하는 폴리실리콘 제조 장치.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 비활성 기체는 아르곤, 질소, 헬륨, 네온 중에서 선택된 1종 이상인 폴리실리콘 제조 장치.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 플라즈마 발생부에 반응 가스를 공급하는 단계;
    상기 공급된 반응 가스를 플라즈마 처리하는 단계;
    상기 플라즈마 처리된 반응 가스를 반응기로 공급하는 단계; 및
    상기 반응기 내부에서 폴리실리콘이 석출되는 단계를 포함하고,
    상기 반응기는 지멘스 반응기, 고정층 반응기 및 진공형 반응기로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이고,
    상기 폴리실리콘 제조 장치를 가동할 때, 상기 반응기 내부 공간의 온도는 500 내지 800℃인 것인 폴리실리콘의 제조방법.

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