KR102578546B1 - 다결정 실리콘 제조 장치 - Google Patents

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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

금속 전극 및 심선 홀더 사이에서 안정적인 통전을 가능하게 하는 전극 어댑터의 제공. 본 발명에 따른 다결정 실리콘의 제조 장치는, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 상기 금속 전극에 마련되어 있는 나사결합부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘의 제조 장치는 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 고정 기구부에 의해서 상기 금속 전극에 고정되고, 또한, 상기 전극 어댑터는 상기 고정 기구부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있다.

Description

다결정 실리콘 제조 장치{POLYCRYSTALLINE SILICON MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 지멘스(siemens)법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터의 구조에 관한 것이다.
다결정 실리콘은 반도체 제조용의 단결정 실리콘이나 태양전지 제조용 실리콘의 원료이다. 다결정 실리콘의 제조 방법으로서는 지멘스법이 알려져 있고, 본 방법에서는, 일반적으로, 실란계 원료 가스를 가열된 실리콘 심선에 접촉시키는 것에 의해, 해당 실리콘 심선의 표면에 CVD(Chemical Vapor Deposition)법으로 다결정 실리콘을 석출(析出)시킨다.
지멘스법은, 실리콘 심선을 연직 방향 2개, 수평 방향 1개의 신사문형(鳥居型)(역 U자형)으로 조립하고, 그 양단부의 각각을 심선 홀더에 접속하고, 베이스 플레이트 상에 배치된 한 쌍의 금속제의 전극에 고정한다. 일반적으로는 반응로(反應爐) 내에는 복수 세트의 역 U자형 실리콘 심선을 배치한 구성으로 되어 있다. 이러한 구성은 예를 들면, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제 2010-235438 호 공보)에 개시되어 있다.
역 U자형의 실리콘 심선을 석출(析出) 온도까지 통전에 의해 가열하고, 원료 가스로서 예를 들면, 트리클로로실란과 수소의 혼합 가스를 실리콘 심선 상에 접촉시키면, 다결정 실리콘이 실리콘 심선 상에서 기상 성장하고, 소망한 직경의 다결정 실리콘 봉이 역 U자 형상으로 형성된다.
전극은 절연물을 사이에 두고 베이스 플레이트를 관통하여 있고, 별도의 전극에 접속되거나, 또는 반응로 외에 배치된 전원에 접속된다. 다결정 실리콘의 석출 공정 중에, 이 전극부에 다결정 실리콘이 석출해버리는 것의 방지나, 전극부의 온도의 상승에 의해 석출 중의 다결정 실리콘을 금속 오염시켜버리는 것의 방지 등을 목적으로 하여, 전극과 베이스 플레이트와 벨 자(bell jar)는 물 등의 냉매에 의해 냉각된다.
도 1은 종래 기술에 있어서의, 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하여 있는 태양을 예시적으로 설명하기 위한 개념도이다. 본 도면에 도시된 예에서는, 금속제의 전극(20)과 카본제의 심선 홀더(24)는, 전극(20)의 소모를 억제하는 등의 목적으로, 전극 어댑터(23)를 거쳐서 접속되고, 전극 어댑터(23)는 전극(20)에 나사결합에 의해서 고정되어 있다.
전극(20)으로부터 심선 홀더(23)를 거쳐서 심선 홀더(24)의 정상부에 보지된 실리콘 심선(도시되지 않음)에 전류를 공급하고, 줄 열에 의해서 실리콘 심선의 표면을 수소 분위기 중에서 900℃ 내지 1200℃ 정도의 온도 범위로 가열한다. 이 상태로, 원료 가스로서 예를 들면, 트리클로로실란과 수소의 혼합 가스를 반응로 내에 공급함으로써, 실리콘 심선 상에 고순도의 실리콘을 기상 성장시켜서 다결정 실리콘 로드(다결정 실리콘 봉)를 육성한다.
본 공정 중, 다결정 실리콘 로드의 직경의 증대에 따라서 카본제의 심선 홀더(24)측에도 다결정 실리콘의 석출이 진행하고, 점차 심선 홀더(24)와 일체화한다. 또한, 다결정 실리콘 로드의 성장에 따라 전기 저항이 저하하기 때문에, 다결정 실리콘 로드의 표면 온도를 석출 반응에 적절한 온도로 유지하기 위해, 공급하는 전류는 서서히 높아져 간다.
또한, 일반적으로, 다결정 실리콘 로드에 공급되는 전류는, 석출 반응 종료 시점에서 2000암페어 내지 4000암페어의 대전류가 된다. 다결정 실리콘 로드의 직경이 커짐에 따라, 로드 표면으로부터의 방열량은 증가하기 때문에, 석출 반응에 필요한 온도(900℃ 내지 1200℃)를 유지하기 위해서는, 그 방열에 의해 잃은 열량을 보상하도록, 다결정 실리콘 로드에 공급하는 전기 에너지는 높아져갈 필요가 있다.
이러한 사정에서, 금속제 전극, 전극 어댑터 및 심선 홀더의 접속에는, 상술한 대전류 공급이나, 대구경(大口徑)화에 따라 중량화하는 다결정 실리콘 봉의 무게를 견딜 수 있는 구조가 요구되게 된다.
일본 특허 공개 제 2010-235438 호 공보 일본 특허 공개 제 2002-338226 호 공보
이를 위해, 전극 어댑터는 자기 윤활성이 높은 카본제이기 때문에 고정을 확실하게 실행할 필요가 있다. 특히 금속 전극과 어댑터를 나사결합에 의해서 접속한 경우, 나사의 느슨해짐 등이 있으면, 거기에 생긴 간극으로부터 방전이 일어남으로써 쌍방을 손상시키고, 해당 방전에 따라 반응로 내에 확산된 금속이나 카본이 다결정 실리콘 중으로의 오염을 일으키는 원인이 되는 일이 있다.
금속제 전극, 전극 어댑터 및 심선 홀더의 접속에 관해서는, 지금까지도 신규한 구조가 제안되어 오고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제 2010-235438 호 공보)에는, 상단부에 실리콘 심선이 삽입되는 보지 구멍이 형성된 심봉(芯棒) 보지부로서 해당 주위면에 나사선(螺條)이 형성된 심봉 보지부를, 해당 심봉 보지부를 나사결합시키는 암나사 구멍이 형성되어 있는 홀더부에 고정하는 태양이 개시되어 있다. 본 태양에서는, 심봉 보지부와 홀더부는 둘 다 도전재로 이루도록 되어 있고, 나사결합부에도 전류가 흐르게 된다. 그러나, 본 발명자는 근년, 대구경화가 점점 더 진행되면, 나사결합부는 그 표면에 요철이 형성되어 있기 때문에, 거기에 대전류가 흐르면, 심봉 보지부와 홀더부가 제대로 결합을 하고 있어도, 예를 들면, 금속 전극과 카본제의 전극 어댑터의 열팽창률의 차이에 의해 생기는 나사결합부의 약간의 간극에, 방전이 일어나는 것을 밝혀냈다.
또한, 특허문헌 1에는, 홀더 본체의 보지 구멍에 심봉 보지부의 하부를 삽입하고, 외주면에 수나사가 형성된 홀더 본체에 나사결합하는 너트 부재를 이용하여, 심봉 보지부를 바닥판부에 지지하는 것으로 한 태양도 개시되어 있지만, 상기의 태양과 마찬가지로, 이들 부재도 도전성의 것이므로, 본 태양에 있어서도, 상술된 바와 같이 나사결합부에 대전류가 흐르면 방전이 일어나기 쉬운 것을 밝혀냈다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제 2002-338226 호 공보)에는, 시드의 하단부를 지지하는 스탠드를, 수나사 부재로 이루어지는 제 1 받침대에 의해 지지하고, 이 제 1 받침대는 암나사 부재로 이루어지는 고정식의 제 2 받침대에 의해 승강 가능하게 지지되는 태양이 개시되어 있지만, 제 1 및 제 2 받침대는 둘 다 통전 경로로 되어 있기 때문에, 특허문헌 1에 개시된 태양과 마찬가지로, 나사결합부에 대전류가 흐르기 때문에 방전이 일어나는 것을 밝혀냈다.
상술된 바와 같이, 종래 기술의 전극 어댑터와 금속 전극의 접속 구조는, 방전에 대한 대책이 충분하지 않다. 이 때문에, 일단 방전에 의한 노 내 부재에 손상이 발생하면, 사후의 처리가 극히 귀찮다. 구체적으로는, 전극은 신품과 교환할 필요가 있는데다가, 다결정 실리콘 로드도 오염된다. 게다가, 벨 자나 베이스 플레이트도 오염된 결과, 회수·순환하는 반응 배기가스 중에도 탄화수소 화합물이 불순물로서 포함되어 버려서, 이후의 배치(batch)에서의 다결정 실리콘 제조에도 악영향을 준다.
본 특허는 이러한 문제에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 곳은, 간단하고 쉬우면서도, 금속 전극 및 심선 홀더 사이에서 안정적인 통전을 가능하게 하는 전극 어댑터의 신규한 구조를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치는 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 상기 금속 전극에 마련되어 있는 나사결합부와의 사이에서는 비(非)도통으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치는, 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 고정 기구부에 의해서 상기 금속 전극에 고정되고, 또한, 상기 전극 어댑터는 상기 고정 기구부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 다결정 실리콘 제조 장치에 있어서, 바람직하게는, 어댑터와 상기 심선 홀더가 동일한 재료로 이루어진다.
또한, 바람직하게는, 상기 전극 어댑터와 상기 심선 홀더 중 적어도 일방이 카본 재료로 이루어진다.
또한, 바람직하게는, 상기 전극 어댑터와 상기 금속 전극의 도통부에 도전성 부재가 삽입되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 전극 어댑터가 상기 금속 전극에 절연성 지그를 거쳐서 고정되어 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 고정 기구부는, 적어도 그 표면이 절연 처리되어 있다.
본 발명에 의해, 금속 전극 및 심선 홀더 사이에서 안정적인 통전을 가능하게 하는 전극 어댑터가 제공된다. 게다가, 구조가 극히 간단하고 쉽기 때문에, 심선 홀더의 분리는 간편하다.
도 1은 종래 기술에 있어서의 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 태양을 예시적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치의 구성 예를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 일 태양을 도시하는 개념도이다.
도 4는 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 다른 태양을 도시하는 개념도이다.
도 5는 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 다른 태양을 도시하는 개념도이다.
도 6은 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 다른 태양을 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치의 반응로의 구성 예의 개략을 설명하는 도면이다. 반응로(100)는 벨 자(1)의 하부에 마련된 베이스 플레이트(5) 상에, 베이스 플레이트(5)로부터 절연된 전극(10)을 구비하고 있고, 해당 전극(10)은 절연체 재료로 이루어지는 고정 기구부(17)를 거쳐서 전극 홀더(13)에 접속되고, 전극 홀더(13)에 실리콘 심선(15)이 보지된 카본제의 심선 홀더(14)가 고정된다. 전극(10)으로부터 공급되는 전류가 전극 홀더(13), 심선 홀더(14)를 통과하도록 접속되고, 원료 가스의 반응에 의해 실리콘 심선(15) 상에 다결정 실리콘(16)이 석출된다.
또한, 도 2 중에 부호 2로 나타낸 것은 엿보기 창이다. 벨 자(1)의 냉각용 냉매는 냉매 입구(3)로부터 공급되어 냉매 출구(4)로부터 노 외로 배출되고, 베이스 플레이트(5)의 냉각용 냉매는 냉매 입구(6)로부터 공급되어 냉매 출구(7)로부터 노 외로 배출되고, 전극(10)의 냉각용 냉매는 냉매 입구(11)로부터 공급되어 냉매 출구(12)로부터 노 외로 배출된다. 또한, 다결정 실리콘의 석출 원료 가스는, 원료 가스 공급 노즐(9)로부터 공급되어서 반응 배기가스 출구(8)로부터 노 외로 배출된다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치가 구비하는 전극 홀더가 전극에 장착되어서 심선 홀더를 보지하고 있는 태양을 도시하는 개념도이다.
도 3에 도시한 태양에서는, 전극(10)의 정상부에 나사결합부가 형성되어 있고, 이 나사결합부에 나사결합하는 고정 기구부(17)를 거쳐서 전극 어댑터(13)가 고정되고, 이 전극 어댑터(13)의 정상부에 마련된 볼록부에 심선 홀더(14)의 하단부에 형성된 오목부가 끼워맞춤되어 있다. 고정 기구부(17)는 절연 재료로 이루어지기 때문에, 상기 나사결합부는 비도통이 되고, 전극(10)으로부터의 심선 홀더(14)로의 전력 공급은, 전극 어댑터(13)의 나사결합부 이외의 부위를 거쳐서 실행되게 된다. 그 결과, 방전의 일어나기 쉬운 나사결합부(표면 요철이 격렬한 부분)에서의 통전이 완전히 억제되어, 방전에 의한 손상을 막을 수 있다.
도 4에 도시된 태양에서는, 전극(10)의 정상부에 나사결합부(암나사부)를 갖는 구멍부가 형성되어 있고, 이 구멍부에, 나사결합부(수나사부)를 갖는 고정 기구부(17)가 나사결합하고 있다. 전극 어댑터(13)는 이 고정 기구부(17)에 의해 고정되고, 이 전극 어댑터(13)의 정상부에 마련된 오목부에 심선 홀더(14)의 하단부에 형성된 볼록부가 끼워맞춤되어 있다. 이 고정 기구부(17)도 절연 재료로 이루어지기 때문에, 상기 나사결합부는 비도통이 되고, 전극(10)으로부터의 심선 홀더(14)로의 전력 공급은, 전극 어댑터(13)의 나사결합부 이외의 부위를 거쳐서 실행되게 된다. 그 결과, 방전의 일어나기 쉬운 나사결합부(표면 요철이 격렬한 부분)에서의 통전이 완전히 억제되어, 방전에 의한 손상을 막을 수 있다.
도 5에 도시된 태양에서는, 전극(10)의 정상부에 나사결합부(수나사부)가 형성되어 있고, 이 나사결합부(수나사부)의 정상부에 전극 어댑터(13)가 탑재되어 있다. 전극 어댑터(13)는 내면에 나사결합부가 형성된 고정 기구부(17)에 의해 고정되고, 이 전극 어댑터(13)의 정상부에 마련된 볼록부에 심선 홀더(14)의 하단부에 형성된 오목부가 끼워맞춤되어 있다. 이 고정 기구부(17)도 절연 재료로 이루어지기 때문에, 상기 나사결합부는 비도통이 되고, 전극(10)으로부터의 심선 홀더(14)로의 전력 공급은, 전극 어댑터(13)의 나사결합부 이외의 부위를 거쳐서 실행되게 된다. 그 결과, 방전의 일어나기 쉬운 나사결합부(표면 요철이 격렬한 부분)에서의 통전이 완전히 억제되어, 방전에 의한 손상을 막을 수 있다.
도 6에 도시된 태양에서는, 전극(10)의 정상부에 나사결합부(수나사부)가 형성되고 있고, 이 나사결합부에, 전극 어댑터(13)의 내면에 형성된 나사결합부가, 절연성의 고정 기구부(17)를 거쳐서, 나사결합하고 있다. 또한, 본 경우, 전극 어댑터(13)의 내면에 형성된 나사결합부를 절연 처리함으로써, 해당 전극 어댑터(13)의 내면 영역을 고정 기구부(17)로서 기능시키는 것으로 해도 좋다. 전극 어댑터(13)의 정상부에는 볼록부가 마련되고, 이 볼록부에 심선 홀더(14)의 하단부에 형성된 오목부가 끼워맞춤되어 있다. 본 경우에도, 고정 기구부(17)도 절연 재료로 이루어지기 때문에, 상기 나사결합부는 비도통이 되고, 전극(10)으로부터의 심선 홀더(14)로의 전력 공급은, 전극 어댑터(13)의 나사결합부 이외의 부위를 거쳐서 실행되게 된다. 그 결과, 방전의 일어나기 쉬운 나사결합부(표면 요철이 격렬한 부분)에서의 통전이 완전히 억제되어, 방전에 의한 손상을 막을 수 있다.
상술한대로, 본 발명은 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 상기 금속 전극에 마련되어 있는 나사결합부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있다.
또한, 본 발명은 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서, 심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고, 상기 전극 어댑터는 고정 기구부에 의해서 상기 금속 전극에 고정되고, 또한, 상기 전극 어댑터는 상기 고정 기구부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있다.
본 경우, 상기 전극 어댑터와 상기 심선 홀더는 동일한 재료로 형성해도 좋다.
또한, 상기 전극 어댑터와 상기 심선 홀더 중 적어도 일방을 카본 재료로 형성해도 좋다. 심선 홀더와 전극 어댑터의 접속부가 서로 카본인 경우, 이들을 세팅할 때에 미끄럼운동시킴으로써 접촉면이 조화된다. 그 때문에, 심선 홀더와 전극 어댑터의 접속부가 단순한 테이퍼 형상의 것이어도 충분한 고정이 가능하게 되는 것에 더하여, 방전을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 심선 홀더로의 전력 공급을 효율적인 것으로 하기 위해서, 상기 전극 어댑터와 상기 금속 전극의 도통부에, 예를 들면, 카본 시트와 같은 도전성 부재를 삽입하도록 해도 좋다.
도 5에 도시된 태양과 같이, 상기 전극 어댑터가 상기 금속 전극에 절연성 지그를 거쳐서 고정되어 있도록 구성해도 좋다.
또한, 상기 고정 기구부는 그 전체를 절연성 재료로 형성해도 좋지만, 적어도 그 표면이 절연 처리되어 있으면 좋다.
또한, 상기의 절연성 재료는 카본의 전기 저항률(약 10μΩm)과 비교해서 충분히 전기 저항률이 높은 재료이면 좋다. 이러한 재료로서는, 예를 들면, 질화규소(약 1×1015μΩm)나 석영유리(약 1×1018μΩm)를 예시할 수 있다. 또한, 게르마늄(약 5×105μΩm) 정도의 전기 저항률의 것이어도, 상기의 연성 재료로서 이용할 수 있다.
[실시예]
지멘스법에 의해, 1쌍의 다결정 실리콘 로드의 중량이 80㎏ 내지 200㎏가 될 때까지 성장시키는 반응을 20 배치 실행하고, 금속 전극에 방전이 원인이라고 생각되는 결손이 없는지를 확인하였는데, 도 3에 도시된 구성의 것(고정 기구부는 질화규소로 이루어짐)을 이용한 경우에는 금속 전극의 결손은 인지되지 않는 것에 대해, 도 1에 도시된 구성의 것을 이용한 경우에는, 10%에 해당되는 2 배치에서 파손 개소가 인지되고, 이러한 파손을 일으킨 배치에서는, 금속 전극의 나사산에서 방전이 원인이라고 생각되는 결손이 확인되었다.
본 발명에 의해, 금속 전극 및 심선 홀더 사이에서 안정적인 통전을 가능하게 하는 전극 어댑터가 제공된다.
1 : 벨 자 2 : 엿보기 창
3 : 냉매 입구(벨 자) 4 : 냉매 출구(벨 자)
5 : 베이스 플레이트
6 : 냉매 입구(베이스 플레이트)
7 : 냉매 출구(베이스 플레이트) 8 : 반응 배기가스 출구
9 : 원료 가스 공급 노즐 10, 20 : 금속 전극
11 : 냉매 입구(전극) 12 : 냉매 출구(전극)
13, 23 : 전극 어댑터 14, 24 : 심선 홀더
15 : 실리콘 심선 16 : 다결정 실리콘
17 : 고정 기구부 100 : 반응로

Claims (7)

  1. 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서,
    심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고,
    상기 전극 어댑터는 상기 금속 전극에 마련되어 있는 나사결합부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  2. 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 장치에 있어서,
    심선 홀더와 금속 전극을 전기적으로 접속하는 전극 어댑터를 구비하고 있고,
    상기 전극 어댑터는 고정 기구부에 의해서 상기 금속 전극에 고정되고, 또한, 상기 전극 어댑터는 상기 고정 기구부와의 사이에서는 비도통으로 되어 있는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 어댑터와 상기 심선 홀더가 동일한 재료로 이루어지는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 어댑터와 상기 심선 홀더 중 적어도 일방이 카본 재료로 이루어지는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 어댑터와 상기 금속 전극의 도통부에 도전성 부재가 삽입되어 있는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 어댑터가 상기 금속 전극에 절연성 지그를 거쳐서 고정되어 있는
    다결정 실리콘 제조 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 기구부는 적어도 그 표면이 절연 처리되어 있는
    다결정 실리콘 제조 장치.
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