KR20100101302A - 폴리실리콘 제조장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법 - Google Patents

폴리실리콘 제조장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정, 즉, 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 실란가스의 열분해를 통해 분해된 실리콘 덩어리를 고온의 퍼니스(furnace) 도가니(crucible)에 축적시켜 실리콘 입자를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진 레이저 분해 고온증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조방법 및 그 방법을 구현하기 위한 제조장치에 관한 것으로서, 레이저 빔을 이용하여 실란가스를 열분해시켜 실리콘 입자를 퍼니스 도가니(crucible)에 축적시켜 폴리 실리콘 덩어리를 얻기 때문에, 종래의 방법에 비하여 저가로 폴리실리콘을 얻을 수 있고, 종래의 방법에서 일반적으로 사용하는 실리콘 퍼니스 장비를 사용하지 않아도 되기 때문에 제조비용을 절감할 수 있게 된다.
폴리실리콘, 레이저 빔, 퍼니스, 도가니

Description

폴리실리콘 제조장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법{Apparatus and Method of manufacturing polysilicon}
본 발명은 폴리실리콘(polysilicon) 입자 석출을 통한 폴리실리콘 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폴리실리콘 퍼니스 반응기 개념을 사용하고 레이저 분해 고온 증착법을 이용하여 폴리실리콘 퍼니스 반응기를 하나의 장비로 통합시켜 폴리실리콘를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
폴리실리콘은 결정 구조가 다결정 상태를 유지하면서 순도가 매우 높아 현재 반도체소자, 태양전지 제조 원소재로 널리 이용되고 있는 상업적 유용성이 매우 큰 소재로, 이와 같은 폴리실리콘은 막대형 또는 입자형으로 제조되고 있는데, 그 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
순도 약 99% 정도의 금속급 실리콘(MG-Si)을 출발 물질로 하여 가스화 공정을 통해 실란 원료를 합성, 분리, 정제하여 고순도를 갖는 가스상태의 실란 원료를 제조한다. 제조되는 고순도 실란가스로는 화화식 SiHCl3로 표현되는 삼염화실란(trichlorosilan: TCS)가스 또는 화학식 SiH4로 표현되는 모노실란(monosilan:MS) 가스이다.
상기 삼염화실란가스는 MG-Si를 HCl과 반응시켜 얻고, 상기 모노실란가스는 MG-Si를 SiCl4 및 H2와 반응시키거나 또는 MG-Si를 SiF4 및 NaAlH4와 반응시켜 얻는다.
이 경우, 실란가스는 고온의 환경하에서 수소환원반응 및 열분해반응을 통해 Si미립자를 생성시키는데, 이와 같이 생성된 Si미립자가 결정 씨드(seed)로 기능하는 막대 또는 입자의 표면에 석출되어 다결정의 폴리실리콘이 얻어지는 것이다.
이와 같이 실란가스를 이용하여 고체상태의 폴리실리콘을 제조하는 종래의 방법으로는 지멘스석출법 및 유동층석출법이 있는데, 이하 도면을 참조로 지멘스석출 방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래 지멘스 석출법에 따라서 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 지멘스 석출법은 종형 반응기(Bell-Jar Reactor)(10)를 이용하여 실란 가스로부터 막대형 폴리실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 우선, 상기 종형 반응기(10) 내부에 6 내지 7 mm 정도의 가느다란 굵기를 갖는 Si 코어 필라멘트(20)를 ∩형상으로 위치시키고, 상기 Si 코어 필라멘트(20)의 말단을 전극(30)과 연결시킨다. 이어서, 가열장치(heater)를 이용하여 300℃ 이상으로 예열시킴으로써 상기 Si 코어 필라멘트(20) 의 비저항을 낮춰 전기저항 가열이 가능하도록 한다. 이어서, 전극(30)을 통해 소정 전위차의 전기를 공급하여 상기 Si 코어 필라멘트(20)를 높은 온도로 가열하고, 실란가스 및 수소가스로 이루어진 반응가스를 상기 종형 반응기(10) 내부로 공급한다.
이에 따라서, 상기 Si 코어 필라멘트(20) 표면에 Si가 석출되면서 점차로 상기 Si 코어 필라멘트(20)의 굵기가 증가하게 되며 이와 같은 전기저항 가열 및 Si석출 공정을 수일 이상 유지하면 직경이 약 10 내지 15cm 정도가 되는 막대형 폴리실리콘 제품을 얻을 수 있게 된다.
그런데, 이 경우에는 제조시 실리콘 막대에 강한 전기를 가해 1100℃로 유지해야 하기 때문에 전기 사용량이 매우 많고, 설비 투자비가 높다는 단점을 안고 있다.
본 발명은 종래의 단점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명은 레이저를 이용하여 실란가스를 분해하여 입자로 형성되는 효율을 높이고 동시에 하나의 반응기에 실리콘 퍼니스 기능을 갖게 함으로서 종래에 비하여 저가격화, 생상성 향상등으로 폴리실리콘 제품을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 폴리실리콘 제조장치 는, 실란가스가 열분해되어 만들어진 실리콘 입자를 이용하여 실리콘 덩어리인 폴리실리콘을 석출하기 위한 반응 공간인 반응기와; 상기 반응기 내부로 상기 실란가스를 공급하기 위하여 상기 반응기 상부에 형성되는 가스공급부와; 상기 가스공급부의 가스공급노즐과 마주하면서 상기 반응기 내부 하측에 장입하는 도가니와; 상기 도가니 외벽에 800℃ 이상 고온 환경을 만들어주기 위하여 외벽 테두리에 근접하게 설치하는 가열장치; 및 상기 가스공급노즐에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위하여 상기 가스공급노즐과 도가니 사이 반응기 외부에 설치되는 레이저 조사장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 레이저 조사장치는, CO2 레이저 또는 YAG 레이저와, 조사된 상기 레이저 빔 균일도를 향상시키기 위한 광학계와, 상기 광학계를 통과한 레이저 빔을 수신하기 위한 레이저 파워 수신부로 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응기 상부 일측 외벽과 이에 수평 방향으로 대향하는 타측 외벽에 조사되는 레이저 빔이 반응기 내부로 투과될 수 있도록 투과성 물질인 석영 또는 ZnSe재질의 윈도우를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응기 내부 압력은 1mTorr 내지 900Torr 범위에서 제어하며, 반응기 내부 압력을 일정하게 유지하고 반응가스를 외부로 배기시키기 위한 배기구를 상기 도가니 상부 일측 외벽에 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저에 의하여 분해된 실리콘 입자가 상기 배기구로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 상기 도가니 상단에 필터를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니 외벽은 고온에 견딜 수 있는 카본그라파이트 재질로 구성하며 상기 도가니 내벽은 고온에 적합하며 실리콘 석출시 불순물을 최소화하기 위하여 석영 계통 재질로 구성하며, 폴리실리콘 석출 후 상기 도가니만을 반응기 외부로 빼낼 수 있는 구조로 도가니를 형성하는 것을 특징으로 한다.
한편, 레이저 분해를 이용한 폴리실리콘 제조방법으로써, 상기 반응기 내부에 실란 가스를 공급하고 조사되는 레이저 빔을 통한 상기 실란 가스 열분해에 의하여 실리콘 입자를 만드는 공정과, 상기 실리콘 입자를 고온의 도가니에서 실리콘 덩어리로 성장 석출시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실란가스에 레이저 빔 조사시 1 마이크로미터 이상의 적외선 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 빔 조사 공정 이전에 상기 실리콘 석출 도가니를 800℃ 이상 온도로 예열하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 상기 구성의 본 발명에 따른 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써 실란가스의 열분해를 통해 입자를 석출시켜 고온의 퍼니스 도가니로 폴리실리콘 덩어리를 추출하기 때문에, 종래의 방법에 비하여 제조비용을 절감하고 제조 공정 시간을 단축하여 폴리실리콘을 얻을 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 실리콘 덩어리를 석출하기 위해 종래에 사용하던 퍼니스 개 념을 이용하여 직접 도가니에서 실리콘 덩어리을 만들 수 있기 때문에 종래의 방법에 비하여 전기소모량 대폭 감소함으로써 제조비용을 절감하고 실리콘 덩어리를 얻기까지 공정수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 분해 및 고온의 도가니 증착법을 이용한 폴리실리콘 제조 장치를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 레이저 분해와 고온의 퍼니스 도가니를 이용한 폴리실리콘의 제조방법은, 반응기 내에 실란가스를 공급하는 공정 및 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사함으로써 상기 실란가스의 열분해를 통해 실리콘 입자를 만들고 이렇게 만들어진 실리콘 입자를 외부와 노출없이 고온의 도가니에 적층하여 실리콘 덩어리를 석출시키는 공정을 포함하여 이루어진다.
<제1 실시 예>
도 2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 폴리실리콘 제조장치는 반응기(100), 가스공급부(200), 도가니(300), 가열장치(400), 및 레이저 조사장치(500)를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 반응기(100)는 실란 가스가 열분해 되어 만들어진 실리콘 입자가 도가니(300)에 쌓여 실리콘 덩어리를 석출시키는 반응 공간이다. 이 때 상기 반응기(100)의 소정 영역, 즉, 상기 도가니 상부 일측 외벽에는 반응기(100) 내부의 압력을 일정하게 유지시키고 반응 가스를 배기시키기 위한 배기구(120)가 형성 된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 배기구(120)와 연장된 반응기(100) 외부에 제어밸브를 구성하고 있다.
이 때, 상기 반응기(100) 내부 압력은 1mTorr 내지 900Torr 범위에서 제어하는 것이 바람직하다.
상기 가스공급부(200)는 상기 반응기(100) 내에 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스를 공급하기 위한 것으로서, 상기 반응기(100)의 상부에 형성된다.
상기 도가니(300)는 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(210)과 마주하면서 상기 반응기(100)의 하측 내부에 설치되며, 실리콘 입자가 반응기에 석출되는 것을 최소화 하기 위해 가스공급노즐(210) 상단부터 도가니(300)까지는 밀폐형(220)에 가깝게 제작하는 것이 바람직하다.
또한 레이저에 의해 분해된 실리콘 입자가 배기구(120)로 빠지는 것을 막기 위해 상기 도가니 상단에 필터(290)를 부착할 수 있다.
상기 도가니(300)는 고온 환경에서 그 틀을 유지하기 위하여 외벽은 카본그라파이트 재질로 구성하며, 도가니(300) 내벽은 실리콘 석출시 불순물을 최소화 하기 위해 석영 계통의 고온에 적합한 재료들을 사용할 수 있을 것이다.
이 때, 상기 도가니(300)는 실리콘 석출 후 저온에서 도가니만 꺼낼 수 있는 구조를 형성하여 사용자 편리성을 도모하도록 구성함이 바람직하다. 그리고, 상기 도가니 외벽은 800℃ 이상의 고온용 가열장치(400)로 구성되어 있으며, 가열장치 외벽은 반응기(100)로의 열전도를 차단할 수 있도록 절연체(410)로 구성한다.
상기 레이저 조사장치(500)는 상기 가스공급노즐(210)에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위한 것으로서, 레이저 빔이 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(210)과 도가니(300) 사이 영역에 위치하며, 분해효율을 높이기 위해 가스공급노즐(210)에 가깝게 조사될 수 있도록 설치한다.
상기 레이저 조사장치(500)는 CO2 레이저 또는 YAG와 같은 적외선 레이저 조사장치로 이루어질 수 있으며, 레이저(510), 광학계(520), 및 레이저 파워 수신부(530)를 포함하여 구성된다.
여기에서, 상기 광학계(520)는 조사된 레이저 빔의 균일도를 향상시키기 위한 것이고, 상기 레이저 파워 수신부(530)는 조사된 레이저 빔을 수신하는 것으로서, 상기 레이저(510), 광학계(520) 및 레이저 파워 수신부(530)는 상기 반응기(100)의 외부에 위치하도록 함이 바람직하다.
이와 같이 상기 레이저 조사장치(500)는 상기 반응기(100) 외부에 설치되기 때문에, 조사되는 레이저 빔이 상기 반응기(100) 내부로 투과될 수 있도록 상기 반응기(100)의 소정 영역에는 윈도우(540)를 설치한다. 이 때, 상기 윈도우(540)는 석영 또는 ZnSe와 같은 투과성 물질을 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.
상기 구성 및 특징을 갖는 폴리실리콘 제조장치의 동작, 즉 폴리실리콘 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 가열장치(400)를 이용하여 도가니(300)를 800 ℃ 이상으로 예열 시킨다.
그 다음, 상기 가스공급부(200)의 가스공급노즐(210)을 통해 반응기(100) 내부로 삼염화실란가스 또는 모노실란가스와 같은 실란가스를 공급하고, 상기 레이저 조사장치(500)를 통해 상기 실란가스에 레이저 빔을 조사한다.
이에 따라서, 상기 실란가스가 열분해되어 실리콘 입자가 생성되고 생성된 실리콘 입자가 상기 고온의 도가니(300)에 쌓이면서 시간이 지남에 따라 실리콘 덩어리의 두께가 두꺼워지게 되며, 이 때 온도를 조절하여 태양광의 실리콘 소재로 사용할 수 있는 폴리실리콘 덩어리를 추출할 수 있다. 이때, 반응기(100) 내부의 압력은 수 mTorr 내지 수백 Torr 범위 내로 제어한다.
상기한 특징을 갖는 본 발명에 따른 폴리실리콘 제조장치 및 제조방법에 있어서, 레이저는 단일 파장의 광이기 때문에 분해할 원료가스, 즉 실란가스에 대한 선택성을 가지게 되고, 고에너지의 빔이기 때문에 다광자 흡수에 의한 원료가스의 분해가 비교적 단기간에 용이하게 이루어진다는 특성이 있으며, 이와 같은 특성의 레이저 빔을 이용하여 실란가스를 분해하여 실리콘 입자를 석출시킨 후 고온의 퍼니스 도가니에서 실리콘 덩어리를 추출하기 때문에, 전기저항 가열만을 이용하여 실란가스를 분해하도록 한 종래의 폴리실리콘 제조방법에 비하여 실리콘 입자의 석출 시간을 단축시키고, 석출 효율을 높일 수 있다.
특히, 실란가스의 흡수파장은 944.213 cm-1인데, 다양한 레이저 중에서 CO2레이저의 경우 그 파장이 944.195cm-1로써 상기 실란가스의 흡수파장과 거의 일치하기 때문에, CO2레이저 빔을 이용하여 실란가스를 분해할 경우 그 분해 효율이 극대화되는 장점을 가지게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 다양한 실시 예를 첨부된 수식, 그래프 및 도면을 참조하여 기술하였으나 본 발명의 기술적 범위가 상기 기술된 사항에 국한되지 않는 것은 너무도 자명하다.
즉, 본 발명의 기술적 사상에 따른 권리 범위는 상술한 바와 같은 구체적인 실시 예 및 첨부한 도면에 특별히 한정된다 할 수 없으며, 본 명세서 특허 청구범위의 기술적 사상에 유사한 범주 내에서의 다양한 변형 실시는 본 특허의 권리 범위에 귀속될 수 있다 할 것이다.
도 1은 종래의 지멘스석출법에 의한 폴리실리콘를 제조하는 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 레이저 분해 및 고온 도가니 증착법을 이용한 폴리실리콘의 제조장치.
<도면의 주요부의 도면부호에 대한 설명>
100: 반응기 200: 가스공급부
300: 도가니 400: 가열장치
500: 레이저 조사장치

Claims (9)

  1. 폴리실리콘 제조장치에 있어서,
    실란가스가 열분해되어 만들어진 실리콘 입자를 이용하여 실리콘 덩어리인 폴리실리콘을 석출하기 위한 반응 공간인 반응기와;
    상기 반응기 내부로 상기 실란가스를 공급하기 위하여 상기 반응기 상부에 형성되는 가스공급부와;
    상기 가스공급부의 가스공급노즐과 마주하면서 상기 반응기 내부 하측에 장입하는 도가니와;
    상기 도가니 외벽에 800℃ 이상 고온 환경을 만들어주기 위하여 외벽 테두리에 근접하게 설치하는 가열장치; 및
    상기 가스공급노즐에서 공급되는 실란가스에 레이저 빔을 조사하여 상기 실란가스를 열분해 시키기 위하여 상기 가스공급노즐과 도가니 사이 반응기 외부에 설치되는 레이저 조사장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 조사장치는,
    CO2레이저 또는 YAG 레이저와, 조사된 상기 레이저 빔 균일도를 향상시키기 위한 광학계와, 상기 광학계를 통과한 레이저 빔을 수신하기 위한 레이저 파워 수 신부로 구성하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  3. 제 2항에 있어서,
    반응기 상부 일측 외벽과 이에 수평 방향으로 대향하는 타측 외벽에 조사되는 상기 레이저 빔이 반응기 내부로 투과될 수 있도록 투과성 물질인 석영 또는 ZnSe 재질의 윈도우를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 반응기 내부 압력은 1mTorr 내지 900Torr 범위에서 제어하며, 반응기 내부 압력을 일정하게 유지하고 반응가스를 외부로 배기시키기 위한 배기구를 상기 도가니 상부 일측 외벽에 형성한 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레이저에 의하여 분해된 실리콘 입자가 상기 배기구로 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 상기 도가니 상단에 필터를 더 형성하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 도가니 외벽은 고온에 견딜 수 있는 카본그라파이트 재질로 구성하며 상기 도가니 내벽은 고온에 적합하며 실리콘 석출시 불순물을 최소화하기 위하여 석영 계통 재질로 구성하며, 폴리실리콘 석출 후 상기 도가니만을 반응기 외부로 빼낼 수 있는 구조로 도가니를 형성하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치
  7. 제 1항 내지 제 6항에 따른 폴리실리콘 제조장치를 이용한 폴리실리콘 제조방법으로써,
    상기 반응기 내부에 실란 가스를 공급하고 조사되는 레이저 빔을 통한 상기 실란 가스 열분해에 의하여 실리콘 입자를 만드는 공정과, 상기 실리콘 입자를 고온의 도가니에서 실리콘 덩어리로 성장 석출시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 실란가스에 레이저 빔 조사시 1 마이크로미터 이상의 적외선 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 레이저 빔 조사 공정 이전에 상기 실리콘 석출 도가니를 800℃ 이상 온도로 예열하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법
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KR101038527B1 (ko) * 2010-10-20 2011-06-02 (주)일진에너지 막부재를 이용한 수소가스와 모노실란가스의 분리방법과 분리장치
KR20160124519A (ko) * 2015-04-20 2016-10-28 주식회사 엘지화학 폴리실리콘 제조용 수평형 반응 장치

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