KR101945882B1 - 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 폴리실리콘 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 반응 공간이 내부에 구비된 수직형 반응관; 상기 반응관의 상부 중심에 배치되어 반응 가스를 반응관 내부로 공급하기 위한 주입구; 상기 주입구 말단에 장착되며, 상기 반응 가스가 반응관 내측 표면을 향해 분사될 수 있도록 하는 배출구를 구비한 판상형 구조물; 및 상기 반응관을 가열하도록 상기 반응관 외부에 배치된 가열부;를 구비하는, 실리콘 제조용 반응 장치가 제공된다.

Description

폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 폴리실리콘 제조 방법{Apparatus and Method of producing polycrystalline silicon}

본 발명은 실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 실리콘 제조 방법에 관한 것이다.

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.

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.

[반응식 1]

SiHCl₃(gas)+ H₂(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.

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.

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.

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.

도 1 에는 수직형 환원 반응기의 유형에 속하는 폴리실리콘의 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다.

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.

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.

도 2 에는 도 1 에 도시된 반응기의 상부 부분(10a)이 개략적인 단면도로 도시되어 있다.

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.

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.

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.

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. 그러므로 반응면적의 최대화가 필요하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 개선된 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 폴리실리콘의 전환 효율을 향상시킬 수 있고 수득량을 증가시킬 수 있는 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기체의 혼합 및 반응이 반응관 내부의 최적 장소에서 발생될 수 있게 하는 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면,

반응 공간이 내부에 구비된 수직형 반응관;

상기 반응관의 상부 중심에 배치되어 반응 가스를 반응관 내부로 공급하기 위한 주입구;

상기 주입구 말단에 장착되며, 상기 반응 가스가 반응관 내측 표면을 향해 분사될 수 있도록 하는 배출구를 구비한 판상형 구조물; 및

상기 반응관을 가열하도록 상기 반응관 외부에 배치된 가열부;를 구비하는, 실리콘 제조용 반응 장치를 제공한다.

상기 판상형 구조물은 배출되는 반응가스의 방향이 서로 일치하지 않도록 설계된 2개 이상의 배출구를 구비한 것일 수 있다.

또한, 상기 판상형 구조물의 배출구를 통해 분사되는 반응가스는 반응관 내측면에 충돌한 후 내측면을 따라 회전할 수 있도록 설계된 것일 수 있다.

또한, 상기 판상형 구조물의 배출구는 배출구로부터 배출되는 반응가스가 서로 수직인 4개 방향으로 배출되도록 설계된 것일 수 있다.

또한, 상기 판상형 구조물의 배출구가 주입구와 수직 방향인 것일 수 있다.

또한, 상기 판상형 구조물이 상기 주입구를 회전축으로 해서 회전가능한 것일 수 있다.

또한, 상기 반응가스는 환원 기체와 원료기체를 포함하는 것일 수 있다.

상기 환원 기체는 수소이고, 상기 원료 기체는 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 사염화실란 중 하나 이상인 것일 수 있다.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 반응 장치를 이용하는 폴리실리콘 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 실리콘 제조용 반응 장치 및 제조 방법에 따르면, 반응관 내부의 다른 장소보다 상대적으로 반응 조건이 우수한 반응관 내측 표면상에서 원료 기체 및 환원 기체의 반응이 주로 발생되므로, 전환 효율이 향상될 수 있고 실리콘의 수득량이 증가될 수 있다. 또한 전환되지 않고 부유하는 기체의 양이 감소되므로 배기 라인을 통해 배출되는 배기량도 함께 감소되어, 배기 라인이 손상되는 등의 부작용을 감소시킬 수 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 폴리실리콘의 제조 장치에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 반응기의 상부 부분에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3a 및 3b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 판상형 구조물에 대한 개략적인 사시도이다.
도 4 및 도 5는 종래 기술에 따른 장치를 사용하는 경우 반응관내 유속, 유동패턴 및 온도분포를 보여주는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 장치를 사용하는 경우 반응관내 유속, 유동패턴 및 온도분포를 보여주는 도면이다.

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.

각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다.

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.

“및/또는”이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다.

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.

단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

“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.

도 3a 및 도 3b에는 본 발명에 따른 실리콘 제조용 반응 장치의 개략적인 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 반응장치는 반응 공간이 내부에 구비된 수직형 반응관(31); 상기 반응관(31)의 상부 중심에 배치되어 반응 가스를 반응관(31) 내부로 공급하기 위한 주입구(32); 상기 주입구(32) 말단에 장착되며, 상기 반응 가스가 반응관 내측 표면을 향해 분사될 수 있도록 하는 배출구(33)를 구비한 판상형 구조물(34); 및 상기 반응관을 가열하도록 상기 반응관(31) 외부에 배치된 가열부(도시하지 않음)를 구비한다.

도면에 도시된 예에서 주입구(32)는 하나가 구비되고 그 말단에는 내부가 비어 기체가 소통가능한 판상형 구조물(34)이 장착된다. 주입구(32)를 통해 공급되는 반응 가스가 반응관(31)의 수직 하방으로 공급되지 않고 반응관(31)의 내측면을 향하여 지향될 수 있도록, 주입구(32) 말단에는 판상형 구조물(34)이 구비된다.

상기 판상형 구조물(34)의 배출구(33)를 통해 분사되는 반응가스는 반응관(31) 내측면에 충돌한 후 내측면을 따라 회전할 수 있도록 설계된 것일 수 있다.

도 3a에 도시된 예에서는 판상형 구조물(34)에는 서로 수직방향의 출구를 갖는 배출구(33)가 90 도 간격으로 4 개가 구비되어 있다. 즉, 상기 판상형 구조물(34)의 배출구(33)는 배출구(33)로부터 배출되는 반응가스가 서로 수직인 4개 방향으로 배출되도록 설계된 것일 수 있다. 또한 도 3b는 3개의 배출구(33)가 120도 각도로 배치된 구조를 도시한다.

그러나, 도면에 도시되지 않은 다른 예에서 배출구는 1 개, 2개 또는 4개 보다 많은 배출구가 구비될 수 있다. 즉 배출구 사이의 각도는 90도 이하, 90도, 90도 이상 모두 가능하며, 배출구 사이의 각도는 일정할 수도 있고 일정하지 않을 수도 있다. 바람직한 구현예에 따르면, 상기 판상형 구조물은 배출되는 반응가스의 방향이 서로 일치하지 않도록 설계된 2개 이상의 배출구를 구비한 것일 수 있다.

또한 반응가스 기류에 대해 일 방향으로의 회전력을 야기하기 위해서는, 도면에 도시된 바와 같이 배출구의 가스 배출라인이 일직선 상에 있지 않고 중심에서 소정거리 이격되어 배출구가 마련되는 것이 바람직하다.

판상형 구조물의 형상은 도시된 바와 같이 원반형인 것이 기류의 회전력을 야기하기게 바람직하지만 이에 한정되지 않으며 다각형도 가능하다.

또한, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 판상형 구조물(34)의 배출구(33)가 주입구와 실질적으로 수직 방향일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, 배출구(33)의 배출 방향은 주입구(32)의 배출방향 또는 반응관(31)의 내측면과 평행하지 않도록 하는 것이면 가능하다.

또한, 도면에는 도시하지 않았지만 적절한 회전 수단을 설치하여 상기 판상형 구조물(33)이 상기 주입구(32)를 회전축으로 해서 회전가능한 것일 수 있다. 이 경우에는 적은 개수(예를 들면, 한 개)의 배출구만으로도 반응관(31) 내측면에 반응가스를 골고루 분사하는 효과를 가질 수 있다.

도면에서 반응관(31)은 설명의 편의상 상부 및 하부가 개방된 것으로 도시되어 있으나, 실제로는 반응관(31)의 상부 및 하부가 밀폐됨으로써 밀폐 반응 공간이 내부에 형성되고, 상기 주입구 (32) 및 판상형 구조물(34)은 반응관(31)의 내부 반응 공간에서 상부에 설치된다. 또한 도면에 도시되지 않았으나, 반응관(31)의 측면 또는 저면에 배기관이 설치됨으로써 반응관(31) 내의 반응 후에 생성되는 기체를 배출할 수 있다. 또한 반응관(31)의 하부에는 반응 생성물을 포집하기 위한 수거용 용기가 구성될 수 있다.

판상형 구조물(34)을 통해 공급되는 반응가스는 반응관(31)의 내측 표면을 향해 공급된다. 즉 반응 가스는 반응관(31)의 내측 표면에 부딪힌 후 회전하면서 아래로 유동한다.

따라서, 반응가스의 반응은 실질적으로 반응관(31)의 내측 표면상에 발생되며, 반응관(31)의 내측 표면이 아닌 다른 부분에서의 반응이 억제될 뿐 아니라 반응관(31)의 내측 표면은 반응관(31)의 다른 부분과 비교하여 가열부와 인접하므로 반응을 위한 조건이 상대적으로 좋다고 할 수 있다.

뿐만 아니라 주입구(32)를 통해 공급된 반응가스가 반응관(31)내 체류하는 시간이 길어지면서, 즉 하강 유동하는데 걸리는 시간이 길어지면서 가열부에 의해 온도가 가열되므로 반응관내 온도분포가 훨씬 균일하게 될 수 있다.

상기 주입구(32) 및 판상형 구조물(34)을 통해 공급될 수 있는 반응가스에는 환원 기체와 원료 기체가 포함될 수 있다. 이들은 각각 독립적으로 공급될 수도 있고 미리 소정 수단에 의해 혼합된 후 함께 반응관(31)에 도입될 수도 있다. 실리콘 제조에서 사용될 수 있는 환원 기체는 수소일 수 있다. 실리콘 제조를 위해서 사용될 수 있는 원료 기체는 예를 들어 실란계 기체로서, 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 사염화실란 등이 포함된다.

상기 반응가스는 예를 들어 섭씨 100 내지 200℃ 정도의 온도로 공급되며, 반응관의 온도는 섭씨 1200℃ 내지 1600℃ 또는 그 이상으로 가열될 수 있다.

도 4 및 도 5는 종래 기술에 따른 반응관을 사용하여 반응을 진행하는 경우 반응가스의 유동패턴과 온도분포를 보여준다. 도 4 및 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 판상형 구조물이 존재하지 않는 직하형 주입구를 사용하는 경우에는 온도가 낮은 반응가스가 반응관 내벽을 향해 충분히 이동하지 않고 하강 유동 속도가 크기 때문에 주입구를 통해 공급되는 차가운 초기 온도로 인해 반응관 중심 온도가 매우 낮게 형성되는 것을 알 수 있다. 이는 실리콘 전환 반응을 유도하기에 충분한 반응 온도에 도달하지 못할 수 있음을 보여준다.

반면, 도 6 및 도 7은 도 3a에 도시된 바와 같은 판상형 구조물을 사용하는 경우에 얻을 수 있는 반응가스 유동패턴과 반응관내 온도 분포를 보여준다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 주입구 말단의 판상형 구조물로 인해 반응가스가 회전하면서 반응관 벽면근처에 체류하는 시간이 길어지고 그 결과 반응관내 온도 분포가 균일하고 높게 형성되는 것을 알 수 있다.

즉, 도 3a를 참조하여 설명된 바와 같이 반응관(31)의 상부에 주입구(32) 및 주입구 말단의 판상형 구조물(34)에 마련된 배출구(33)로부터 반응가스 흐름은 도면에 표시된 바와 같이, 반응관 벽면을 향하기 때문에 회전력이 발생한다. 이러한 기체 흐름은 반응가스가 벽면에 체류하는 시간을 증대시키고 하향 이동하는 속도를 늦추어 주기 때문에 반응이 상대적으로 활발하게 이루어질 수 있게 한다.

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.

31. 반응관 32. 주입구
33. 배출구 34. 판상형 구조물

Claims (9)

1. 반응 공간이 내부에 구비된 수직형 반응관;
   상기 반응관의 상부 중심에 배치되어 반응 가스를 반응관 내부로 공급하기 위한 주입구;
   상기 주입구 말단에 장착되며, 상기 반응 가스가 반응관 내측 표면을 향해 분사될 수 있도록 하는 배출구를 구비한 판상형 구조물; 및
   상기 반응관을 가열하도록 상기 반응관 외부에 배치된 가열부;를 구비하는, 실리콘 제조용 반응 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 판상형 구조물은 배출되는 반응가스의 방향이 서로 일치하지 않도록 설계된 2개 이상의 배출구를 구비한 것인, 실리콘 제조용 반응 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 판상형 구조물의 배출구를 통해 분사되는 반응가스는 반응관 내측면에 충돌한 후 내측면을 따라 회전할 수 있도록 설계된 것인, 실리콘 제조용 반응장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 판상형 구조물의 배출구는 배출구로부터 배출되는 반응가스가 서로 수직인 4개 방향으로 배출되도록 설계된 것인, 실리콘 제조용 반응장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 판상형 구조물의 배출구가 주입구와 수직 방향인 것인, 실리콘 제조용 반응장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 판상형 구조물이 상기 주입구를 회전축으로 해서 회전가능한 것인, 실리콘 제조용 반응 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응가스는 환원 기체와 원료기체를 포함하는 것인. 실리콘 제조용 반응 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 환원 기체는 수소이고, 상기 원료 기체는 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란(TCS), 사염화실란 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 실리콘 제조용 반응 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 실리콘 제조용 반응 장치를 이용하는 폴리실리콘 제조 방법.

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