KR200455009Y1 - 폴리실리콘 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 폴리실리콘 제조장치에 관한 것이다.

본 고안의 폴리실리콘 제조장치는 메탈실리콘으로부터 폴리실리콘을 제조하기 위한 장소를 마련하도록 한 반응로 본체; 반응로 본체의 내부에 설치되어 메탈실리콘을 녹이기 위한 열을 공급하도록 한 가열수단; 가열수단과 인접하게 설치되어 내부에 메탈실리콘을 수용하며, 가열수단의 열을 받아 메탈실리콘을 녹여 용융실리콘을 만들고, 그 용융실리콘을 외부로부터 공급되는 반응가스와 반응시키기 위한 장소를 마련하도록 한 석영도가니; 석영도가니의 외측에 배치되어 석영도가니를 수용함에 의해 석영도가니를 유지하고 보호하도록 한 흑연도가니; 및 흑연도가니와 석영도가니의 사이에 설치되어 완충역할을 함과 아울러 석영도가니가 파손됨으로 인해 용융실리콘의 유출시 그 유출되는 용융실리콘과 반응하여 실리콘카바이드(SiC)층으로 변화됨으로써 흑연도가니를 보호하도록 한 탄소층을 포함하여 구성된다.

본 고안에 의해, 석영도가니가 파손되어 용융실리콘이 유출되더라도 흑연도가니를 안전하게 보호할 수 있도록 한 폴리실리콘 제조장치가 제공된다.

폴리실리콘, 메탈실리콘, 석영도가니, 흑연도가니, 탄소층

Description

폴리실리콘 제조장치{THE PREPARING APPARATUS FOR POLYSILICON}

본 고안은 폴리실리콘 제조장치에 관한 것으로, 특히 석영도가니와 흑연도가니의 사이에 탄소층을 형성함으로 인해 석영도가니에서 용융물의 유출시 흑연도가니를 안전하게 보호하도록 한 폴리실리콘 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 폴리실리콘은 고순도의 다결정 분자 구조를 지닌 화합물로서, 채광한 실리카(SiO2) 원료를 탄소성분(예컨대, 석탄이나 코크스 등)을 혼합하여 가열하는 과정을 통하여 생산한 메탈실리콘(MG-Si; Metallurgical Silicon)을 반응로에 투입한 뒤 반응가스(예컨대, 모노실란(SiH4), 삼염화실란(SiCl4) 등)와 화학적으로 반응시켜 얻는다.

폴리실리콘 제조장치는 한국 특허공보 공고번호 92-0009566 '단결정 실리콘 제조장치', 한국 등록특허공보 10-0847700 '실리콘 단결정의 제조장치 및 그것을 사용한 실리콘단결정의 제조방법', 한국 등록특허공보 10-0783667 '입자형 다결정 실리콘의 제조방법 및 제조장치' 등에서 폭넓게 개시하고 있다.

일예로, 흑연도가니에 수용되어 보호를 받는 석영도가니에 메탈실리콘을 넣고 녹여 용융실리콘을 만들고, 그 용융실리콘을 외부로부터 공급되는 반응가스와 화학적으로 반응시킨 뒤 냉각시켜 폴리실리콘을 생산하였다.

그러나, 이와 같은 공정 중 석영도가니로부터 용융실리콘이 유출되어 흑연도가니가 파손됨으로써 제조장치에 심각한 손상을 주는 문제가 발생했다.

즉 고온에서 메탈실리콘을 녹이는 동안, 인젝터에 의한 가스공급이나 반응시 가스발생에 따른 충격 등에 의해서 석영도가니가 파손되거나, 용융실리콘과의 산화반응으로 인해 석영도가니가 약해짐으로써 파손되어 용융실리콘이 유출되면, 흑연도가니가 그 유출되는 용융실리콘과 반응해서 파손되는 경우가 발생했다. 흑연도가니는 용융실리콘과 반응하는 부위와 반응하지 않은 부위에 팽창계수가 커지는 등의 물성 변화가 일어나 파손되었다.

금속적 정련방법에 있어서 미국의 산디아보고서(SAND99-1047)는 1460-1650도의 고온에서 대기압, 고진공, 중진공, 저진공의 각 조건마다 산소, 공기, 물, HCl, Cl2, NH3 등 11가지의 가스를 별도로 각각 인젝터를 통하여 용융실리콘에 불어넣는 방법으로 총 132회의 실험을 하여 실리콘정련실험을 실시하였는데, 그중 물(H20)을 집어넣는 방법이 가장 폴리실리콘 생산에 효율적인 것으로 나타났으나, 물 중 산소의 투입시 불순물을 산화시켜 제거하지만, 실리콘과 기계장치(수정도가니 등)를 함께 산화시켜 양질의 실리콘이 생산되기 전에 도가니를 파손시켜 양산에는 문제가 있다고 지적하였다.

본 고안의 목적은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 석영도가니와 흑연도가니의 사이에 탄소층을 형성함으로 인해 석영도가니에서 용융실리콘의 유출시 흑연도가니를 안전하게 보호하기 위한 폴리실리콘 제조장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은 메탈실리콘을 용융해 얻은 용융실리콘을 반응가스와 화학적으로 반응시킨 뒤 냉각시켜 폴리실리콘을 제조하도록 한 폴리실리콘 제조장치에 있어서, 메탈실리콘으로부터 폴리실리콘을 제조하기 위한 장소를 마련하도록 한 반응로 본체; 상기 반응로 본체의 내부에 설치되어 메탈실리콘을 녹이기 위한 열을 공급하도록 한 가열수단; 상기 가열수단과 인접하게 설치되어 내부에 메탈실리콘을 수용하며, 가열수단의 열을 받아 메탈실리콘을 녹여 용융실리콘을 만들고, 그 용융실리콘을 외부로부터 공급되는 반응가스와 반응시키기 위한 장소를 마련하도록 한 석영도가니; 상기 석영도가니의 외측에 배치되어 석영도가니를 수용함에 의해 석영도가니를 유지하고 보호하도록 한 흑연도가니; 및 상기 흑연도가니와 석영도가니의 사이에 설치되어 완충역할을 함과 아울러 석영도가니가 파손됨으로 인해 용융실리콘의 유출시 그 유출되는 용융실리콘과 반응하여 실리콘카바이드(SiC)층으로 변화됨으로써 흑연도가니를 보호하도록 한 탄소층을 포함하여 구성된다.

상기 탄소층의 두께는 5∼10㎜인 것이 바람직하다.

또, 상기 탄소층은 탄소가루를 상기 흑연도가니와 석영도가니의 사이에 충전함으로써 형성됨이 바람직하다.

또, 상기 탄소가루는 흑연가루 또는 숯가루 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 해결 수단에 의해, 석영도가니가 파손되어 용융실리콘이 유출되더라도 흑연도가니가 파손되지 않아, 제조장치가 손상을 입는 일이 발생하지 않는다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 폴리실리콘 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면, 도 2는 도 1에서 표시 A부분을 나타낸 부분 확대도이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 고안의 폴리실리콘 제조장치는 메탈실리콘을 용융해 얻은 용융실리콘을 반응가스와 화학적으로 반응시킨 뒤 냉각시켜 폴리실리콘을 제조하도록 한 장치로서, 메탈실리콘으로부터 폴리실리콘을 제조하기 위한 장소를 마련하도록 한 반응로 본체(10)를 구비한다.

반응로 본체(10)의 내부에는 메탈실리콘을 수용하여 가열수단(예컨대, 히터 등)(20)의 열을 받아 메탈실리콘을 녹임으로써 용융실리콘(1)을 만들고, 그 용융실리콘을 외부로부터 공급되는 반응가스(모노실란, 삼염화실란 등)와 화학적으로 반 응시키기 위한 장소를 마련하도록 한 석영도가니(30)가 설치되고, 그 석영도가니(30)의 외측에는 석영도가니(30)를 수용함에 의해 석영도가니(30)를 유지하고 보호하도록 한 흑연도가니(40)가 배치된다.

가열수단(20)은 반응로 본체(10)의 내벽면에 설치되어 흑연도가니(40)의 외주연에 배치됨으로써 석영도가니(30)에 수용되는 메탈실리콘을 녹여 용융실리콘(1)을 만든다.

가열수단(20)과 반응로 본체(10)의 로벽 사이에는 금속제의 로벽을 보호하고 반응로 본체(10)의 내부를 효율적으로 보온하기 위해 단열재(14)가 설치됨이 바람직하다.

게다가, 반응로 본체(10)는 가열수단(20)으로부터의 복사열에 의해, 로벽이 필요이상으로 고온으로 가열되는 것을 방지하기 위해, 로벽을 이중구조로 하고, 그 사이에 냉각수를 흘려 강제냉각을 행하면서 용융실리콘(1)을 냉각시키는 구조가 될 수 있다.

반응로 본체(10)의 중앙에 배치되는 흑연도가니(40)는 반응로 본체(10)의 상부에 설치되는 지지수단을 통해 현수되는 형태로 설치되거나, 반응로 본체(10)의 바닥으로부터 입설되는 지지수단의 지지를 받는 형태로 설치될 수 있다.

또한 도시하지는 않았지만, 용융실리콘(1)에 반응가스를 공급하도록 한 인젝터, 용융실리콘(1) 중에 물을 고압으로 쏘아 물반응시키도록 한 살수수단, 용융실리콘(1)의 반응으로 생성되는 가스, 미반응 반응가스 등을 외부로 배출하기 위한 배기가스관, 용융실리콘(1)의 반응상태를 확인하기 위한 투시창, 반응로 본체(10) 의 로벽 사이에 냉각수를 흘려 보내기 위한 물공급수단, 반응한 용융실리콘(1)을 냉각시키기 위한 냉각수단 등이 선택 또는 전부가 반응로 본체(10)에 설치될 수 있다.

이 구조는 제시한 선행기술 등을 통하여 잘 알려진 기술이기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.

이 구조에서, 석영도가니(30)와 흑연도가니(40)의 사이에는 탄소층(50)이 설치되어 있다. 탄소층(50)은 석영도가니(30)와 흑연도가니(40)의 사이에 탄소가루를 충전함으로써 형성되는데, 그 두께는 5∼10㎜인 것이 바람직하고, 탄소가루는 흑연가루 또는 숯가루 중 어느 하나를 선택해서 사용함이 바람직하다.

이와 같이 형성되는 탄소층(50)은 고온에서 메탈실리콘을 녹이는 동안, 인젝터에 의한 가스공급이나 반응시 가스발생에 따른 충격 등을 완화하여 석영도가니(30)가 파손되는 것을 방지함과 아울러, 특히 용융실리콘(1)과의 산화반응으로 인해 석영도가니(30)가 약해짐으로써 파손되어 용융실리콘(1)이 유출되면, 그 유출되는 용융실리콘(1)과 반응하여 실리콘카바이드(SiC)층으로 변화됨으로써 흑연도가니(40)를 안전하게 보호한다.

즉, 탄소층(50)의 탄소(C)가 유출되는 용융실리콘(1)의 규소(Si)와 반응하여 실리콘카바이드(SiC)로 변화되고, 식으면서 흑연도가니(40) 앞에 녹는점이 높고 견고한 실리콘카바이드층을 자연스럽게 형성하여, 그 실리콘카바이드층이 석영도가니(30)로부터 유출되는 용융실리콘(1)이 흑연도가니(40)와 직접 반응하는 것을 차단함으로써, 흑연도가니(40)를 안전하게 보호하여, 유출되는 용융실리콘(1)으로부 터 제조장치가 손상을 입는 일이 발생하지 않도록 한다.

정리하면, 석영도가니(30)와 흑연도가니(40)의 사이에 설치되는 탄소층(50)은 완충역할을 하여 석영도가니(30)의 파손을 방지하고, 특히 석영도가니(30)가 파손되어 용융실리콘(1)이 유출되더라도 규소와 결합하여 실리콘카바이드층이 되어, 용융실리콘(1)이 흑연도가니(40)와 직접 반응하는 것을 차단함으로써, 유출되는 용융실리콘(1)으로부터 흑연도가니(40)를 안전하게 보호해 준다.

상술한 바와 같이 본 고안에 의해, 석영도가니가 파손되어 용융실리콘이 유출되더라도 흑연도가니를 안전하게 보호할 수 있도록 한 폴리실리콘 제조장치가 제공된다.

도 1은 본 고안의 폴리실리콘 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1에서 표시 A부분을 나타낸 부분 확대도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1:용융실리콘 10:반응로 본체

14:단열재 20:가열수단

30:석영도가니 40:흑연도가니

50:탄소층

Claims (4)

1. 메탈실리콘을 용융해 얻은 용융실리콘을 반응가스와 화학적으로 반응시킨 뒤 냉각시켜 폴리실리콘을 제조하도록 한 폴리실리콘 제조장치에 있어서,

   메탈실리콘으로부터 폴리실리콘을 제조하기 위한 장소를 마련하도록 한 반응로 본체;

   상기 반응로 본체의 내부에 설치되어 메탈실리콘을 녹이기 위한 열을 공급하도록 한 가열수단;

   상기 가열수단과 인접하게 설치되어 내부에 메탈실리콘을 수용하며, 가열수단의 열을 받아 메탈실리콘을 녹여 용융실리콘을 만들고, 그 용융실리콘을 외부로부터 공급되는 반응가스와 반응시키기 위한 장소를 마련하도록 한 석영도가니;

   상기 석영도가니의 외측에 배치되어 석영도가니를 수용함에 의해 석영도가니를 유지하고 보호하도록 한 흑연도가니; 및

   상기 흑연도가니와 석영도가니의 사이에 설치되어 완충역할을 함과 아울러 석영도가니가 파손됨으로 인해 용융실리콘의 유출시 그 유출되는 용융실리콘과 반응하여 실리콘카바이드(SiC)층으로 변화됨으로써 흑연도가니를 보호하도록 한 탄소층을 포함하여 구성되며,

   상기 탄소층의 두께는 5∼10㎜인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 탄소층은 탄소가루를 상기 흑연도가니와 석영도가니의 사이에 충전함으로써 형성됨을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 탄소가루는 흑연가루 또는 숯가루 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.

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