KR101640286B1 - Apparatus and method for producing polysilicon using streamer discharge - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 반응 가스 및 환원 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성된 수평관; 상기 수평관의 내부에 연장된 톱니형 와이어; 상기 수평관의 외표면에 형성된 전극; 상기 톱니형 와이어와 상기 전극에 교류 전류를 인가하는 전원; 및, 상기 수평관의 하류에 배치되며, 내부 온도를 소정 온도로 상승시킬 수 있는 경사관;을 구비하며, 상기 톱니형 와이어와 상기 전극 사이에서 발생되는 스트리머 플라즈마 방전(streamer plasma discharge)에 의해 상기 반응 가스 및 환원 가스의 해리가 이루어질 수 있는, 폴리실리콘 제조 장치가 제공된다. 또한 상기 폴리실리콘 제조 장치를 이용하는 폴리실리콘 제조 방법이 제공된다. According to the present invention, there are provided a horizontal tube having an inner space through which a reaction gas and a reducing gas can flow; A sawtooth wire extending into the interior of the horizontal tube; An electrode formed on an outer surface of the horizontal tube; A power source for applying an alternating current to the sawtooth wire and the electrode; And an inclined tube disposed downstream of the horizontal tube and capable of raising an internal temperature to a predetermined temperature, wherein a streamer plasma discharge generated between the sawtooth wire and the electrode Wherein the reaction gas and the reducing gas can be dissociated. A method of manufacturing polysilicon using the above-described polysilicon manufacturing apparatus is also provided.
Description
본 발명은 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스트리머 플라즈마 방전에 의해 혼합 가스를 해리시킴으로써 고순도의 폴리실리콘을 획득할 수 있는 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing polysilicon, and more particularly, to an apparatus and a method for manufacturing polysilicon capable of obtaining high-purity polysilicon by dissociating a gas mixture by a streamer plasma discharge .
폴리실리콘은 반도체 소자, 태양전지 소자 등의 원료가 되는 물질로 최근 그 수요가 점차 증가하고 있는 추세이다. 종래 반도체 또는 태양광 발전용 전지의 원료로서 사용되는 실리콘을 제조하는 방법은 여러 가지가 알려져 있고 그 중 일부는 이미 공업적으로 실시되고 있다. Polysilicon is a raw material for semiconductor devices, solar cell devices, and the like. Conventionally, various methods for producing silicon used as a raw material for a semiconductor or a solar cell have been known, and some of them have already been carried out industrially.
현재 상용되는 고순도용 폴리실리콘은 대부분 화학기상증착 방법을 통해 제조되고 있다. 구체적으로 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 삼염화실란 기체를 수소 기체와 같은 환원성 기체와 반응시켜 제조될 수 있다.Most of the currently used high purity polysilicon is produced by a chemical vapor deposition method. Can be prepared by reacting a trichlorosilane gas with a reducing gas such as hydrogen gas, specifically as shown in Reaction Scheme 1 below.
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
SiHCl3(gas)+ H2(gas)→ Si(solid) + 3HCl(gas)SiHCl 3 (gas) + H 2 (gas) → Si (solid) + 3HCl (gas)
폴리실리콘을 제조하기 위한 상용화된 공법 중 하나를 예로 들면 지멘스 공법(Siemens method)이 있다. 지멘스 공법에서는 반응 가스로서의 실란계 가스 및, 환원 가스로서의 수소 가스를 종형 반응기에 함께 투입하고, 종형 반응기에 설치된 실리콘 로드를 가열함으로써 실리콘의 석출 온도 이상의 열이 반응 가스 및 환원 가스에 전달되면 환원 반응에 의해 폴리실리콘이 석출된다. An example of a commercialized process for producing polysilicon is the Siemens method. In the Siemens process, a silane-based gas as a reaction gas and hydrogen gas as a reducing gas are fed together into a vertical reactor, and when heat of a temperature higher than the deposition temperature of silicon is transferred to the reaction gas and the reducing gas by heating the silicon rod installed in the vertical reactor, The polysilicon is precipitated.
그러나, 이와 같은 종래의 지멘스 반응기는 통상 65 ~ 200 KWh/kg 정도의 많은 전기 에너지를 소비하며, 이러한 전기 에너지에 대한 비용이 폴리실리콘 제조 비용 중 매우 큰 비중을 차지한다. 또한 석출이 뱃치식(batch type)이기 때문에 실리콘 로드의 설치, 통전 가열, 석출, 냉각, 취출, 종형 반응기 세정 등의 지극히 번잡한 공정을 실시해야 하는 문제점이 있다. However, such a conventional Siemens reactor usually consumes a large amount of electric energy of about 65 to 200 KWh / kg, and the cost for such electric energy accounts for a very large portion of the cost of manufacturing the polysilicon. Further, since the precipitation is of a batch type, there is a problem that an extremely complicated process such as installation of a silicon rod, conduction heating, precipitation, cooling, extraction, and vertical reactor cleaning must be carried out.
또 다른 방법으로 유동층에 의한 석출방법이 있다. 이 방법은 유동층을 이용하여 100 미크론 정도의 미립자를 석출핵으로 공급하면서 실란류를 공급하여 실리콘 미립자 상에 실리콘을 석출해 1~2 mm의 실리콘 알갱이로서 연속적으로 제조하는 방법이다. 이 방법은 비교적 장기 연속 운전이 가능하다는 장점이 있지만, 석출온도가 낮은 모노실란을 실리콘 원료로서 사용하기 때문에 비교적 낮은 온도에서도 모노실란의 열분해에 의한 미분실리콘 생성이나 반응기벽으로의 실리콘 석출이 일어나기 쉬워 반응용기의 정기적인 세정이나 교환이 필요하다. Another method is the precipitation by a fluidized bed. This method is a method of continuously producing silicon grains of 1 to 2 mm by depositing silicon on fine silicon particles by supplying silane streams while supplying fine grains of about 100 microns into the precipitation nuclei by using a fluidized bed. This method has an advantage of being able to operate for a relatively long period of time. However, since monosilane having a low precipitation temperature is used as a raw material for silicon, generation of fine silicon by thermal decomposition of monosilane and precipitation of silicon into the reactor wall are likely to occur even at a relatively low temperature Periodic cleaning or replacement of the reaction vessel is necessary.
한편, 대한민국 특허 10-0692444 호에는 수직형 환원 반응기를 이용한 다결정 실리콘 제조 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 실리콘 석출면으로 되는 가열체를 통 형상으로 하여 열효율을 높인 장치로서, (a) 하단에 실리콘 취출구로 되는 개구부를 갖는 통 형상 용기, (b) 상기 통 형상 용기의 하단으로부터 임의의 높이까지의 내벽을 실리콘 융점 이상의 온도로 가열하는 가열 장치, (c) 상기 통 형상 용기의 내경 보다 작은 외경을 갖는 내관으로 이루어지고, 실리콘의 융점 이상으로 가열된 내벽에 의해 둘러싸인 공간에 상기 내관의 한쪽 개구를 아래쪽으로 향하여 설치함으로써 구성된 클로로실란류 공급관, (d) 통 형상 용기의 내벽과 클로로실란류 공급관의 외벽에 의해 형성되는 갭에 밀봉 가스를 공급하는 제 1 밀봉 가스 공급관, 및 경우에 따라, (e) 상기 통 형상 용기 내에 수소 가스를 공급하는 수소 공급관을 더 구비한다. On the other hand, Korean Patent No. 10-0692444 discloses an apparatus for producing polycrystalline silicon using a vertical reduction reactor. (A) a tubular container having an opening serving as a silicon outlet at a lower end thereof; (b) a tubular container having an opening at an arbitrary height from the lower end of the tubular container (C) a space surrounded by an inner wall heated to a temperature not lower than the melting point of silicon, the inner wall having an inner diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical container, (D) a first sealing gas supply pipe for supplying a sealing gas to the gap formed by the inner wall of the tubular container and the outer wall of the chlorosilane supply pipe, and, optionally, (e) a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen gas into the tubular container.
도 1 에는 수직형 환원 반응기의 유형에 속하는 폴리실리콘의 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다. Fig. 1 schematically shows an apparatus for producing polysilicon belonging to the type of vertical reduction reactor.
도면을 참조하면, 폴리실리콘의 제조 장치는 반응기(10)의 상부 부분(10a)에 반응 가스 유입구(11)가 구비되고, 반응기(10)의 중간 부분(10b)의 일측에 진공 도관(12) 및 배출 도관(13)이 구비되어 있다. 반응기(10)의 하부 부분(10c)에는 용융실리콘의 포집, 냉각, 캐스팅부가 형성되어 있다. Referring to the drawings, an apparatus for producing polysilicon includes a
상기 반응 가스 유입구(11)를 통해 모노실란(monosilane), 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 또는 사염화실란(STC)과 같은 실란계 가스인 반응 가스를 공급한다. 반응기(10의 운전 후 내부 공간의 클리닝, 퍼징을 위한 진공 분위기를 형성하기 위하여 진공 도관(12)이 이용될 수 있고, 반응시에 발생되는 폐가스를 배출하기 위하여 배출 도관(13)이 이용될 수 있다. 반응기(10)의 상부 부분(10a)에는 가열 코일(14)이 구비된다. 상기 유도 가열 코일(14)에 RF 전기가 인가됨으로써 반응관(21)에 맴돌이 전류가 생성되어 발열되고 고온으로 가열된 반응관(21) 벽면을 통하여 가스 유입구로 유입되는 가스에 열을 가하여 석출반응을 유도한다. A reactive gas such as monosilane, dichlorosilane, TCS, or STC is supplied through the
도 2 에는 도 1 에 도시된 반응기의 상부 부분(10a)이 개략적인 단면도로 도시되어 있다. Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the
도면을 참조하면, 반응기의 상부 부분(10a)에는 반응관(21)이 구비되며, 상기 반응관(21)에는 반응 가스 공급관(11)을 통해 실란계 가스와 같은 반응 가스가 공급된다. 반응관(21)의 외측에는 절연관(22)의 표면에 가열 코일(23)이 배치된다. 도면에 도시되지 않은 밀봉 가스 공급관을 통해 밀봉 가스(25)가 공급되어, 반응관(21)과 절연관(22)의 사이 및, 절연관(22)과 외측 용기(26)사이에 충전된다. 밀봉 가스(25)는 반응 가스가 반응관(21)과 절연관(22) 사이 및 절연관(22)과 외측 용기(26) 사이의 간극을 통해 누설되는 것을 억제하기 위하여 공급된다. 또한 도면에 도시되지 않은 환원 가스 공급관을 통하여 수소와 같은 환원 가스가 공급되거나 환원 가스와 실란 가스의 혼합 형태로 공급된다. Referring to FIG. 1, a
도 2 의 단면도에서 A 로 표시된 반응관(21)의 상부 영역에는 가열 코일(21)이 감겨있지 않은 반면에, B 로 표시된 반응관(21)의 하부 영역에는 가열 코일(21)이 감겨있다. 이러한 구조는 공급관의 열적 안정성과 전체적인 등온 분포를 위한 것이고, B 영역은 반응관 직경의 3~4 배의 길이가 필요하다. 2, the
따라서 가열 코일(21)에 의해 반응관(21)으로 전달되는 열은 A 로 표시된 상부 영역보다는 B 로 표시된 하부 영역에 집중된다. 도 1 및 도 2 를 참조하여 설명된 폴리실리콘의 제조 장치에서는 반응관(21)의 내부에 유입된 반응 가스 및 환원 가스가 벽면과 접촉하여 고온에서의 석출 반응이 진행되지 못하고 단순 통과되는 양이 많아지는 문제점을 가지고 있다. Therefore, the heat transmitted to the
즉, 가열 코일(23)로부터의 거리가 가장 멀리 있는 반응관(21)의 중심부를 통해 유동하는 가스에 대해서는 열전달이 원활하지 않으므로 환원 반응이 느리게 발생되며, 따라서 전체적인 생산 효율이 저하되고 에너지 효율도 저하된다. That is, since the heat transfer is not smooth for the gas flowing through the center of the
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 개선된 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for manufacturing improved polysilicon capable of solving the problems of the prior art as described above.
본 발명의 다른 목적은 생산 효율이 향상될 수 있는 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus and a method for manufacturing polysilicon that can improve the production efficiency.
본 발명의 다른 목적은 스트리머 플라즈마 방전을 이용하여 가스의 해리가 이루어지는 폴리실리콘의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an apparatus and a method for manufacturing polysilicon in which gas dissociation is performed using a streamer plasma discharge.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, In order to achieve the above object, according to the present invention,
반응 가스 및 환원 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성된 수평관; 및A horizontal tube having an inner space through which a reaction gas and a reducing gas can flow; And
상기 반응 가스 및 환원 가스를 해리하기 위한 스트리머 플라즈마 방전 수단을 구비한, 폴리실리콘 제조 장치가 제공된다.And a streamer plasma discharging means for dissociating the reaction gas and the reducing gas.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 장치는According to one aspect of the present invention,
반응 가스 및 환원 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성된 수평관;A horizontal tube having an inner space through which a reaction gas and a reducing gas can flow;
상기 수평관의 내부에 연장된 톱니형 와이어;A sawtooth wire extending into the interior of the horizontal tube;
상기 수평관의 외표면에 형성된 전극;An electrode formed on an outer surface of the horizontal tube;
상기 톱니형 와이어와 상기 전극에 교류 전류를 인가하는 전원; 및, A power source for applying an alternating current to the sawtooth wire and the electrode; And
상기 수평관의 하류에 배치되며, 내부 온도를 소정 온도로 상승시킬 수 있는 경사관;을 구비하며, And an inclined pipe disposed downstream of the horizontal pipe and capable of raising the internal temperature to a predetermined temperature,
상기 톱니형 와이어와 상기 전극 사이에서 발생되는 스트리머 플라즈마 방전(streamer plasma discharge)에 의해 상기 반응 가스 및 환원 가스의 해리가 이루어질 수 있다. The reaction gas and the reducing gas may be dissociated by a streamer plasma discharge generated between the sawtooth wire and the electrode.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 톱니형 와이어는, 길이 방향으로 연장된 와이어부 및, 상기 와이어부를 따라서 소정 간격으로 배치되고 방사상으로 돌출된 다수의 톱니를 가지는 톱니부를 포함한다. 톱니부는 도전체의 재질로 이루어질 수 있다. According to one aspect of the present invention, the sawtooth wire includes a wire portion extending in the longitudinal direction and a toothed portion having a plurality of teeth projected radially at predetermined intervals along the wire portion. The serrations can be made of a conductive material.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 수평관은 상기 반응 가스 및 상기 환원 가스가 혼합되는 혼합 영역 및, 혼합된 반응 가스 및 환원 가스의 해리가 발생되는 해리 영역을 포함하고, 상기 경사관은 상기 해리된 반응 가스 및 환원 가스가 반응하여 폴리실리콘이 석출되는 석출 영역을 포함한다. According to another aspect of the present invention, the horizontal tube includes a mixing region in which the reaction gas and the reducing gas are mixed, and a dissociation region in which the mixed reaction gas and reducing gas are dissociated, And a precipitation region in which the reacted gas and the reducing gas react to precipitate the polysilicon.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 경사관에는 상기 경사관의 외표면에 설치된 가열용 전기 코일이 구비된다. According to another aspect of the present invention, the slant pipe is provided with a heating electric coil provided on the outer surface of the slant pipe.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 경사관의 하류측에 취출관이 더 구비되고, 상기 경사관에서 석출된 폴리실리콘을 상기 취출관에서 주조할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is further provided a take-out pipe on the downstream side of the inclined pipe, and the polysilicon deposited in the inclined pipe can be cast in the take-out pipe.
본 발명에 있어서, 상기 수평관, 경사관 및 톱니형 와이어는 각각 독립적으로 몰리브데늄(Mo) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나 이상으로 제작될 수 있다. In the present invention, the horizontal pipe, the slant pipe, and the sawtooth wire may independently be made of at least one of molybdenum (Mo) and tantalum (Ta).
또한 본 발명에 있어서, 상기 반응 가스는 모노실란(monosilane), 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 및 사염화실란(STC) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 환원 가스는 수소를 포함할 수 있다. Also, in the present invention, the reaction gas may include any one of monosilane, dichlorosilane, trichlorosilane (TCS), and tetrachlorosilane (STC), and the reducing gas may include hydrogen.
또한 본 발명에 따르면, Further, according to the present invention,
반응 가스 및 환원 가스를 수평관으로 투입시키는 단계;Introducing a reaction gas and a reducing gas into a horizontal tube;
상기 수평관 내부에서 상기 반응 가스 및 환원 가스를 혼합시키는 단계;Mixing the reaction gas and the reducing gas in the horizontal tube;
내부에서 스트리머 플라즈마 방전을 일으킴으로써, 상기 혼합된 반응 가스 및 환원 가스를 해리시키는 단계; 및, Dissipating the mixed reaction gas and the reducing gas by causing a streamer plasma discharge inside; And
상기 해리된 반응 가스 및 환원 가스를 소정 온도 이상으로 가열하여 반응하게 함으로써 폴리실리콘을 석출 및 용융시키는 단계;를 포함하는 폴리실리콘의 제조 방법이 제공된다. And causing the dissociated reaction gas and the reducing gas to react with each other by heating to a predetermined temperature or higher, thereby precipitating and melting the polysilicon.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 스트리머 플라즈마 방전은 상기 수평관 내부에 설치된 톱니형 와이어와 상기 수평관 외부에 설치된 전극 사이에 교류 전류를 인가함으로써 야기되는 것일 수 있다. 전류가 인가될 대, 톱니형 와이어의 구조적 특징으로 수평관 전체 공간에 등전위면이 형성되며, 안정한 플라즈마 방전 공간을 야기할 수 있다.According to an aspect of the present invention, the streamer plasma discharge may be caused by applying an alternating current between a sawtooth wire installed inside the horizontal tube and an electrode provided outside the horizontal tube. When an electric current is applied, due to the structural characteristic of the sawtooth wire, an equipotential surface is formed in the entire space of the horizontal tube, and a stable plasma discharge space can be generated.
본 발명에 따른 폴리실리콘 제조 장치 및 제조 방법에서는 기존의 열플라즈마 공정에 비해 낮은 온도이면서도 유사 대기압의 온화한 조건에서, 반응 가스 및 환원 가스를 충분히 해리시킨 후에 석출 과정을 수행하므로, 보다 효율적으로 폴리실리콘을 제조할 수 있다는 장점이 있으며, 따라서 폴리실리콘의 생산 효율 및 에너지 효율이 향상될 수 있다. 특히 본 발명에서는 스트리머 플라즈마 방전을 이용하여 반응 가스 및 환원 가스를 해리시키므로, 낮은 전압에서도 화학종의 활성 및 반응성이 증가되어 수율 증가로 이어질 수 있다. 스트리머 방전은 저온 플라즈마 방식으로 기존의 고온 석출 공정 대비 약 30%의 전기 에너지를 절감할 수 있다.The apparatus and the method for producing a polysilicon according to the present invention perform the precipitation process after sufficiently dissociating the reaction gas and the reducing gas under a mild condition of similar atmospheric pressure and at a lower temperature than the conventional thermal plasma process, The production efficiency and the energy efficiency of the polysilicon can be improved. In particular, since the reaction gas and the reducing gas are dissociated using the streamer plasma discharge, the activity and the reactivity of the chemical species increase at a low voltage, leading to an increase in the yield. The streamer discharge can save about 30% of electric energy compared to the conventional high temperature precipitation process by the low temperature plasma method.
도 1 는 종래 기술에 따른 폴리실리콘의 제조 장치에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 반응기의 상부 부분에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4 는 도 3 에 도시된 폴리실리콘 장치에 구비되는 톱니형 와이어의 개략적인 사시도이다.1 is a schematic perspective view of an apparatus for producing polysilicon according to the prior art.
2 is a schematic cross-sectional view of the upper portion of the reactor shown in Fig.
3 is a schematic configuration diagram of a polysilicon device according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic perspective view of a sawtooth wire included in the polysilicon device shown in FIG.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술사상 및 범위에 포함되는 변형물, 균등물 또는 대체물을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the embodiments of the present invention shown in the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다. In the drawings, like reference numerals are used for similar elements.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니고, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms first, second, A, B, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms, and may be used to distinguish one component from another Only.
“및/또는”이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다. The term " and / or " includes any one or a combination of the plurality of listed items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it is to be understood that other elements may be directly connected or connected, or intervening elements may be present.
단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. The singular expressions include plural expressions unless otherwise specified.
“포함한다” 또는 “가진다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다. It will be understood that the terms "comprises", "having", and the like have the same meanings as the features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof described in the specification, Does not exclude the possibility that an operation, component, component, or combination thereof may be present or added.
본 발명은 반응 가스 및 환원 가스가 유동할 수 있는 내부 공간이 형성된 수평관; 및 상기 반응 가스 및 환원 가스를 해리하기 위한 스트리머 플라즈마 방전 수단을 구비한, 폴리실리콘 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법을 제공한다. The present invention relates to a horizontal tube having an inner space through which a reaction gas and a reducing gas can flow; And a streamer plasma discharge means for dissociating the reaction gas and the reducing gas. The present invention also provides a polysilicon manufacturing apparatus and a polysilicon manufacturing method using the same.
도 3 에는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of a polysilicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는 반응 가스 및 환원 가스가 혼합된 상태로 유동하면서 해리되는 수평관(32)과, 상기 수평관(32)의 하류측에 배치되고 소정 온도 이상으로 가열됨으로써 폴리실리콘이 생성되는 경사관(33)과, 상기 경사관(33)의 하류측에 배치된 취출관(39)을 구비한다. 이후에 보다 상세하게 설명되는 바로서, 상기 수평관(32)의 내부에는 톱니형 와이어(37)가 연장되고, 상기 경사관(33)에는 경사관(33)의 내부를 소정 온도 이상으로 상승시키기 위한 가열 장치(미도시)가 구비된다. Referring to the drawings, an apparatus for producing polysilicon according to an embodiment of the present invention includes a
수평관(32)의 일 단부에는 반응 가스 투입구(35) 및 환원 가스 투입구(36)가 구비된다, 상기 반응 가스 투입구(35)를 통하여 실란계 가스와 같은 반응 가스가 수평관(32)의 내부로 투입되며, 실란계 가스는 예를 들어 모노실란(monosilane), 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 및 사염화실란 중 어느 하나를 포함한다. 또한 환원 가스 투입구(36)를 통해 환원 가스가 수평관(32)의 내부로 투입된다. 상기 환원 가스는 통상적으로 수소를 포함하며, 다른 예에서 Zn 또는 Na 를 포함한다.A reaction
수평관(32)은 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 예를 들어 도전체 또는 유전체 재료로 구성될 수 있다.The
수평관(32)이 유전체로 구성된 경우를 설명하면, 수평관(32)의 외표면에 전극(미도시)이 구비된다. 수평관(32)은 예를 들어 석영 재료로 형성될 수 있고, 수평관(32)의 외표면상에 금속 재료의 전극이 형성될 수 있다. 수평관(32)에 구비된 전극은 케이블(34b)을 통해 교류 전원(34)에 연결된다. 따라서 교류 전원(34)으로부터 전류가 인가되면 톱니형 와이어(37)와 수평관(32)상의 전극(미도시) 사이에는 스트리머 플라즈마 반응이 발생될 수 있다. In the case where the
수평관(32)이 도전체로 구성된 경우에는 전극 단자를 통하여 수평관(32) 전체에 전하가 인가되어 톱니형 와이어(37)와 수평관(32) 사이에 등전위면에 의한 균일한 플라즈마 방전 공간이 형성될 수 있다. 유전체로 구성된 경우 수평관(32) 외표면 상에 등면적의 전극이 설치되어야 도전체와 같은 효과를 기대할 수 있다. In the case where the
톱니형 와이어(37)는 수평관(32)의 내부에서 수평으로 연장되도록 설치된다. 톱니형 와이어(37)의 일 단부는 케이블(34a)을 통해 교류 전원(34)에 연결된다. 톱니형 와이어(37)의 전원(34)에 연결되지 않은 단부는 수평관(32) 또는 수평관 외부에 구비된 전극에 연결되어 폐쇄회로를 형성한다. 수평관(32)이 도전체로 이루어진 경우에는 수평관(32)가 자체가 전극이 될 수 있기 때문이다. The
즉 본 발명에 따르면 교류 전원을 이용하여 대기압에서 스트리머 플라즈마를 발생시켜 폴리실리콘 석출 반응을 효율적으로 수행할 수 있다. 스트리머 방전은 자연계에서 번개가 발생하는 것과 같은 원리의 방전으로 방전 공간 내부의 전자 운동에너지가 매우 크다. 따라서 이 공간에 원료 가스를 주입하는 경우 가스의 해리율을 약 40~60% 이상 증가시키는 효과를 얻을 수 있다. 높은 해리율은 화학종의 활동도와 반응성을 증가시켜 결국에는 수율 증가를 가져온다. That is, according to the present invention, a streamer plasma can be generated at atmospheric pressure using an AC power source to efficiently perform a polysilicon deposition reaction. The streamer discharge is a discharge of the same principle as that of lightning occurs in the natural world, and the electron kinetic energy inside the discharge space is very large. Therefore, when the raw material gas is injected into this space, the effect of increasing the dissociation rate of the gas by about 40 to 60% can be obtained. The high dissociation rate increases the activity and reactivity of the species and eventually increases the yield.
스트리머 방전의 방전 가스로는 기존의 저온 플라즈마와 마찬가지로 아르곤이나 수소를 사용할 수 있다. 특히 수소를 방전 가스로 사용하게 되면 환원가스와 동일한 가스원이어서 운용 유지비 및 생산원가 절감에 도움이 될 수 있다. As the discharge gas of the streamer discharge, argon or hydrogen can be used as in the conventional low-temperature plasma. In particular, if hydrogen is used as the discharge gas, it is the same gas source as the reducing gas, which can help to reduce maintenance cost and production cost.
도 4 에는 톱니형 와이어의 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 톱니형 와이어(72)는 길이 방향으로 연장된 와이어 부분(37b)에 다수의 톱니부(37a)가 소정 간격을 두고 배치된 것이다. 톱니부(37a)는 도면에 도시된 바와 같이 원주를 따라서 톱니(37c)가 형성되어 있으며 도전체로 이루어 질 수 있다. Fig. 4 shows a schematic perspective view of a sawtooth wire. Referring to the drawing, a sawtooth wire 72 is formed by arranging a plurality of
와이어 부분(37b)을 따라서 인가된 전력은 톱니부(37a)로 도전되며, 톱니(37c)의 첨단부와 도 3 에 도시된 수평관(32)의 외표면 상의 전극 사이에 스트리머 플라즈마 방전이 발생될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 톱니(37c)는 톱니부(37a)의 원주를 따라서 형성되어 있으며, 그에 대응하여 수평관(32)의 외표면에도 원주를 따라서 전극(미도시)이 형성되는 것이 바람직스럽다. The electric power applied along the
예를 들어 수평관(32)이 도전 재료로 형성되어 수평관 자체가 전극이 되는 것도 가능하고, 외표면 전체가 도전 재료로 덮이도록 형성됨으로써 전극의 역할을 하도록 할 수도 있다. 다른 예에서는 수평관(32)의 외표면에 고리 형상의 전극(미도시)이 구비될 수 있다. 교류 전원(34)으로부터 전력이 인가되면 톱니부(37a)의 톱니(37c)와 수평관(32) 또는 그 외표면의 전극 사이에서 스트리머 플라마즈 방전이 발생되며, 따라서 방전은 와이어 부분(37b)을 중심으로 방사상으로 발생될 수 있다. For example, the
수평관(32)의 일측에는 진공 배기구(38)가 형성되며, 상기 진공 배기구(38)를 통해 진공 펌프(미도시)등을 이용하여 수평관(32)을 진공 상태로 만들 수 있다. A
다시 도 3 을 참조하면, 수평관(32)은 반응 가스 투입구(35) 및 환원 가스 투입구(36)에 근접한 혼합 영역(41) 및, 톱니형 와이어(37)가 연장된 부분에 해당하는 해리 영역(42)으로 구분될 수 있다. 혼합 영역(41)에서는 반응 가스와 환원 가스의 혼합이 활발하게 일어나는 반면에, 해리 영역(42)에서는 스트리머 플라즈마 방전(streamer plasma discharge)에 의해 반응 가스의 해리가 활발하게 발생될 수 있다. Referring again to FIG. 3, the
경사관(33)은 수평관(32)의 하류측에 배치된다. 반응 가스와 환원 가스의 혼합물은 수평관(32)의 해리 영역(42)을 통과하면서 해리된 이후에, 경사관(33)으로 유입된다. 위에서 언급된 바와 같이 경사관(33)에는 경사관(33)의 내부 온도를 소정 온도 이상으로 상승시키기 위한 가열 장치가 구비되는데, 상기 가열 장치는 예를 들어 경사관(33)의 외표면을 감싸도록 설치된 가열용 전기 코일(미도시)을 포함할 수 있다. 가열 장치에 의해서 경사관(33)은 섭씨 1430 도 이상을 유지할 수 있으며, 이러한 온도는 해리된 혼합 가스의 반응에 의해 고순도의 실리콘이 석출 가능한 온도이다. 석출된 실리콘은 고체 상태이거나, 또는 경사관(33)의 온도에 따라서 용융되어 액체의 상태일 수 있다. 즉, 경사관(33)의 온도가 실리콘의 석출 온도인 섭씨 1430 도보다 현저하게 높게 유지된다면, 실리콘은 석출과 함께 용융 상태를 유지한다. 따라서, 석출된 액체 상태의 실리콘은 경사관(33)을 따라서 취출관(39)을 향하여 중력의 힘으로 유동할 수 있다. 다른 예에서 실리콘은 고체 상태로 석출될 수 있으며, 석출된 고체 실리콘은 경사관(33)에 설치된 이송 수단(미도시)에 의해 하류측으로 이송될 수 있다. 이송 수단은 예를 들어 석출된 실리콘이 놓일 수 있는 콘베이어 벨트, 이송 가능한 트레이 등을 포함한다. 경사관(33)은 실리콘의 석출이 이루어지는 석출 영역(43)을 구성한다. The inclined pipe (33) is disposed on the downstream side of the horizontal pipe (32). The mixture of the reaction gas and the reducing gas is passed through the
취출관(39)은 경사관(33)의 하류측에 배치되어 있으며, 취출관(39)으로부터 고체 상태 또는 액체 상태의 고순도 실리콘을 얻을 수 있다. 예를 들어 취출관(39)에는 주조 영역(44)이 구성될 수 있다. 주조 영역(44)에는 몰드(mold)가 구비됨으로써, 주조된 고체 상태의 고순도 폴리실리콘을 얻을 수 있다. 즉, 경사관(33)으로부터 유동하여 취출관(39)으로 유입된 용융 상태의 실리콘을 주조 영역(44)에 구비된 몰드(미도시)에 주입하여 냉각시키면 주조된 폴리실리콘 덩어리를 얻을 수 있다. 다른 예에서, 취출관(39)을 소정 온도 이상으로 유지하면 액체 상태의 폴리실리콘을 얻을 수 있으며, 액체 상태의 폴리실리콘은 차후의 공정에서 이용될 수 있다. The take-out
취출관(39)에는 배출가스 회수관(49)이 구비되는데, 이는 경사관(33)에서 실리콘을 석출시키지 않고 취출관(39)으로 흘러 들어온 반응 가스 및 환원 가스의 혼합물을 회수하기 위한 것이다. 배출 가스 회수관(49)을 통해 회수된 혼합물은 별도의 분리 및 변환 과정을 통해 반응 가스로 분리됨으로써 실리콘 석출에 재활용될 수 있다. The
본 발명에 따른 장치에 있어서, 수평관, 경사관, 톱니형 와이어 등의 장치는, 예를 들어 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta) 등과 같이, 원료 가스 또는 용융된 폴리실리콘과 반응성이 작은 재료로 구성하는 것이 바람직스럽다.In the apparatus according to the present invention, devices such as a horizontal pipe, a slanting pipe, and a sawtooth wire are made of materials such as molybdenum (Mo), tantalum (Ta) It is preferable to use a material.
이하, 본 발명에 따른 폴리실리콘 제조 장치를 이용한 폴리실리콘의 제조 방법을 개략적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, a method for producing polysilicon using the apparatus for producing polysilicon according to the present invention will be schematically described.
본원 발명에 따라서 폴리실리콘을 제조하려면 우선 수평관(32)의 내부를 진공 상태로 만든다. 진공 펌프(미도시)를 이용하여 진공 배기구(38)를 통해 수평관(32)을 진공 상태로 만들 수 있다. 다음에 반응 가스 투입구(35) 및 환원 가스 투입구(35)를 통해 각각 반응 가스 및 환원 가스를 투입한다. 반응 가스 및 환원 가스는 수평관(32)의 혼합 영역(41)에서 혼합되며, 다음에 수평관(32)의 하류측으로 계속 이동하여 해리 영역(42)에 도달한다. 해리 영역(42)에 배치된 톱니형 와이어(37)와 수평관(32) 외표면의 전극 사이에는 교류 전원이 인가된 상태이므로, 해리 영역에서는 스트리머 플라즈마 반응이 발생된다. 따라서 해리 영역(42)에 도달한 혼합 가스는 스트리머 플라즈마 반응으로부터의 에너지에 의해 해리될 수 있다. In order to produce polysilicon according to the present invention, the interior of the
해리된 혼합 가스는 이후에 경사관(33)의 석출 영역(43)으로 유동한다. 석출 영역(43)은 석출 반응 온도 이상으로 가열된 상태이므로 혼합 가스의 반응으로부터 폴리실리콘이 석출될 수 있다. 석출된 폴리실리콘은 고체 상태 또는 액체 상태로 취출관(39)으로 이동할 수 있다. 취출관(39)의 주조 영역(44)에서는 몰드(미도시)를 이용하여 폴리실리콘을 소정 형상으로 주조할 수 있거나, 또는 경사관(33)에서 석출된 고체 상태의 폴리실리콘을 획득할 수 있다. 경사관(33)에서 석출 작용에 쓰이지 않은 잔류 혼합 가스는 배출 가스 회수관(49)을 통해 회수되어 재활용될 수 있다. The dissociated mixed gas then flows into the
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. There will be. Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.
32. 수평관 33. 경사관
34. 교류 전원 35. 반응 가스 투입구
36. 환원 가스 투입구 37. 톱니형 와이어32.
34.
36.
Claims (12)
상기 반응 가스 및 환원 가스를 해리하기 위한 스트리머 플라즈마 방전 수단; 및
상기 수평관의 하류에 배치되며, 내부 온도를 소정 온도로 상승시킬 수 있는 경사관;을 구비하되,
상기 스트리머 플라즈마 방전 수단이,
상기 수평관의 내부에 길이 방향으로 연장된 와이어부 및, 상기 와이어부를 따라서 소정 간격으로 배치되고 방사상으로 돌출된 다수의 톱니를 가지는 톱니부를 포함하는 톱니형 와이어;
상기 수평관의 외표면에 형성된 전극;및
상기 톱니형 와이어와 상기 전극에 교류 전류를 인가하는 전원;
을 구비하며, 상기 톱니형 와이어와 상기 전극 사이에서 발생되는 스트리머 플라즈마 방전(streamer plasma discharge)에 의해 상기 반응 가스 및 환원 가스의 해리가 이루어질 수 있는 폴리실리콘 제조 장치.A horizontal tube having an inner space through which a reaction gas and a reducing gas can flow;
A streamer plasma discharge means for dissociating the reaction gas and the reducing gas; And
And an inclined pipe disposed downstream of the horizontal pipe and capable of raising the internal temperature to a predetermined temperature,
Wherein said streamer plasma discharge means comprises:
A sawtooth wire including a wire portion extending in the longitudinal direction inside the horizontal tube and a toothed portion having a plurality of teeth projected radially at predetermined intervals along the wire portion;
An electrode formed on an outer surface of the horizontal tube;
A power source for applying an alternating current to the sawtooth wire and the electrode;
Wherein the reaction gas and the reducing gas are dissociated by a streamer plasma discharge generated between the sawtooth wire and the electrode.
상기 수평관은 상기 반응 가스 및 상기 환원 가스가 혼합되는 혼합 영역 및, 혼합된 반응 가스 및 환원 가스의 해리가 발생되는 해리 영역을 포함하는. 폴리실리콘 제조 장치. The method according to claim 1,
Wherein the horizontal tube includes a mixing region in which the reaction gas and the reducing gas are mixed and a dissociation region in which the mixed reaction gas and the reducing gas are dissociated. A device for producing polysilicon.
상기 경사관은 상기 해리된 반응 가스 및 환원 가스가 반응하여 폴리실리콘이 석출되는 석출 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폴리실리콘 제조 장치. The method according to claim 1,
Wherein the inclined tube includes a precipitation region in which the dissociated reaction gas and the reducing gas react with each other to precipitate polysilicon.
상기 경사관에는 상기 경사관의 외표면에 설치된 가열용 전기 코일이 구비되는 것을 특징으로 하는, 폴리실리콘 제조 장치. The method according to claim 1,
Wherein the inclined pipe is provided with an electric coil for heating provided on the outer surface of the inclined pipe.
상기 경사관의 하류측에 취출관이 더 구비되고, 상기 경사관에서 석출된 폴리실리콘을 상기 취출관에서 주조할 수 있는 것을 특징으로 하는, 폴리실리콘 제조 장치. The method according to claim 1,
Further comprising a take-out pipe on the downstream side of the inclined pipe, wherein the polysilicon deposited in the inclined pipe can be cast in the take-out pipe.
상기 수평관, 경사관 및 톱니형 와이어는 각각 독립적으로 몰리브데늄(Mo) 및 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나 이상으로 제작되는, 폴리실리콘 제조 장치.The method according to claim 1,
Wherein the horizontal pipe, the inclined pipe, and the sawtooth wire are independently made of at least one of molybdenum (Mo) and tantalum (Ta).
상기 반응 가스는 모노실란(monosilane), 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 및 사염화실란(STC) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 환원 가스는 수소를 포함하는, 폴리실리콘의 제조 장치. The method according to claim 1,
Wherein the reaction gas comprises any one of monosilane, silanization silane, TCS, and STC, and the reducing gas comprises hydrogen.
상기 수평관 내부에서 상기 반응 가스 및 환원 가스를 혼합시키는 단계;
상기 수평관 내부에서 스트리머 플라즈마 방전을 일으킴으로써, 상기 혼합된 반응 가스 및 환원 가스를 해리시키는 단계; 및,
상기 해리된 반응 가스 및 환원 가스를 소정 온도 이상으로 가열하여 반응하게 함으로써 폴리실리콘을 석출시키는 단계;를 포함하며,
상기 스트리머 플라즈마 방전은 상기 수평관 내부에 설치된 톱니형 와이어와 상기 수평관 외부에 설치된 전극 사이에 교류 전류를 인가함으로써 야기되는 것인, 폴리실리콘의 제조 방법. Introducing a reaction gas and a reducing gas into a horizontal tube;
Mixing the reaction gas and the reducing gas in the horizontal tube;
Dissipating the mixed reaction gas and the reducing gas by causing a streamer plasma discharge in the horizontal tube; And
And causing the dissociated reaction gas and the reducing gas to react with each other by heating to a predetermined temperature or higher to precipitate polysilicon,
Wherein the streamer plasma discharge is caused by applying an alternating current between a sawtooth wire installed in the horizontal tube and an electrode disposed outside the horizontal tube.
상기 반응 가스는 모노실란(monosilane), 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 및 사염화실란(STC) 중 어느 하나를 포함하고, 상기 환원 가스는 수소를 포함하는, 폴리실리콘의 제조 방법.11. The method of claim 10,
Wherein the reaction gas comprises any one of monosilane, silanization silane (TCS), and tetrachlorosilane (STC), and the reducing gas comprises hydrogen.
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