KR20110061984A - 에너지 효율을 높여주는 복사열 차단막을 갖는 화학기상증착 반응기 - Google Patents

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Abstract

지멘스 방식의 CVD 반응기가 제공된다. 반응기 내의 로드 필라멘트와 냉각 기벽 사이에 한 개 이상의 복사열 차단막(들)이 설치된다. 그 복사열 차단막은 CVD 공정 중에 가열된 폴리실리콘 로드에서 발상되는 복사열을 흡수하여 온도가 400℃ 이상으로 가열됨에 따라 그 흡수한 열을 그 폴리실리콘 로드와 냉각 기벽 양쪽으로 재 방사함으로써 냉각 기벽에 대해 열 차단효과를 제공한다. 폴리실리콘 로드 쪽으로 방사되는 에너지량만큼 폴리실리콘 로드의 알짜 에너지 손실도 감소되어 상당한 양의 CVD 반응기의 전기에너지가 절감 보존된다. 다중 차단막 층들과 낮은 차폐 방사율 및 낮은 차폐 열전도율을 함께 이용하면 에너지 절감율이 훨씬 가중된다. 제조되는 폴리실리콘 순도는 고온에서 안정한 고순도의 흑연, 실리콘 카바이드(SiC)가 코팅된 흑연, 실리콘 등과 같은 열차단 물질을 사용함으로써 유지가 가능하다.
CVD, 반응기, 화학기상증착, 복사열 차단막,지멘스, 폴리실리콘, 고온 방사체, 재방사, 흡수

Description

에너지 효율을 높여주는 복사열 차단막을 갖는 화학기상증착 반응기 {CVD REACTOR WITH ENERGY EFFICIENT THERMAL-RADIATION SHIELD}
본 발명은 CVD 반응기의 개선에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 지멘스 CVD 반응기의 전기 에너지 손실을 줄여주어 폴리실리콘 로드의 제조 원가를 절감하고 생산 능력을 개선하는 것에 관한 것이다.
다결정 실리콘 혹은 폴리실리콘은 전자 산업에 사용되는 매우 중요한 원료 물질이다. 폴리실리콘은 반도체 및 태양광 발전 산업에 사용되는 단결정 혹은 다결정 실리콘 잉곳의 제조에 사용되는 출발 물질이다. 반도체급의 폴리실리콘은 ppb (parts per billion) 혹은 ppt (parts per trillion)수준의 전자적 활성을 띠는 불순물을 포함하고 있다.
일반적으로 폴리실리콘 로드(rods)는 모노실란이나 염화실란(예, 삼염화실란) 같은 기체상태의 실리콘 화합물이 빨갛게 가열되는 로드나 실리콘 필라멘트 혹은 텅스텐이나 탄탈룸 같이 전기전도도가 높은 고융점 금속으로 만들어진 필라멘트의 표면에 열분해 되면서 만들어진다. 현재까지 알려진 모노실란 및 염화실란 증착용 최신 반응기들의 설계 원리들은 미국 특허 제3,011,877호, 제3,147,141호, 제 3,152,933호 등에 잘 나타나 있는데, 그 내용을 본원 발명의 상세한 설명을 위한 참고용으로 인용하고자 한다. 이와 같은 방식의 반응기들은 보통 지멘스 반응기로 일컬어진다.
도 1은 종래의 지멘스 CVD 반응기의 구조를 도시한다. 일반적으로 종래의 지멘스 CVD 반응기 장치(10)는 기판(base plate)(40) 위에 벨형 반응기(30)가 가스밀폐형(gas-tight) 플랜지(33)로 결합된 공정 용기로서, 그 내부에는 한 개 이상의 반응 챔버(25)가 마련된다. 벨형 반응기(30)는 외부 자켓(outer jacket)(30b)과 내벽(inner shell)(30a)를 가지며, 그 사이에는 냉각제가 흐르는 구조(외부 자켓(30b)에 냉각제 유입관(31a)과 유출관(31b)이 연결되어 있음)로 되어 있어, CVD 공정 중에 200℃ (공정에 따라서는 100℃)를 넘지 않는 온도로 냉각된 반응기 내벽(30a)(이하, '냉각 기벽'이라 함)의 상태를 유지한다. 기판(40)에도 냉각제 유입관(48a)과 유출관(48b)을 연결하여 냉각제가 흐르게 하여 소정 온도를 넘지 않도록 제한한다. 기판(40)에는 또한 가스 유입구(42)와 가스 배출구(44)가 마련된다. 실리콘 함유 가스원(46)에 연결된 가스 유입구(42)를 통해 실리콘 함유 가스 화합물이 반응 챔버(25) 안으로 유입되고, CVD 반응을 거친 가스는 가스 배출구(44)를 통해 반응 챔버(25) 밖으로 배출된다. 또한, 기판(40)의 바깥에서 반응 챔버(25) 안으로 두 개의 기밀단자(feed through)(38)가 연장되고, 그 단부는 로드 지지대(37)로 지지된 채 예컨대 흑연으로 된 전극(39)이 연결된다. 반응 챔버(25) 내에는 한 세트 이상의 로드 필라멘트들(rod filaments)(34)이 마련된다. 구체적으로, 한 세트의 로드 필라멘트(34)는 반응 챔버(25) 내에서 서로 이격되어 직립된 두 개의 로 드 필라멘트(34a, 34b)와 이들의 맨 위쪽의 두 단부를 수평으로 연결하는 한 개의 수평 로드 필라멘트 (34c)에 의해 머리핀 또는 U형 로드로 형성된다. 그리고 두 개의 직립 로드 필라멘트(34a, 34b)는 그 아래쪽 단부가 전극(39)과 기밀단자(38)를 통해 외부의 전기에너지 공급원에 연결되어, 한 세트의 로드 필라멘트(34)는 하나의 완전한 전기 회로를 형성한다.
이러한 종래의 지멘스 CVD 반응기 장치(10)에서, CVD 공정을 위해 기밀단자(38)와 전극(39)을 통해 로드 필라멘트(34)에 전류를 흘려주는 한편, 실리콘함유 가스원(46)에서 모노실란이나 디실란 또는 염화실란과 같은 실리콘 함유 가스 화합물 또는 이들 가스의 혼합물을 반응 챔버(25) 안으로 공급한다. 그러면 그 로드 필라멘트 (34)가 가열되면서, 반응 챔버(25) 내에서는 부산물로 실리콘과 수소가 만들어지는 모노실란의 열분해 반응이나 HCl과 SiCl4와 같은 염소 화합물 및 수소를 생성시키는 염화실란의 열분해 반응이 일어난다. 열분해 반응에 의해 CVD 증착이 일어나는 메커니즘은 다음과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.
SiH4 + H2
Figure 112009074493482-PAT00001
Si + 3H2
SiHCl3 + H2
Figure 112009074493482-PAT00002
Si + 3HCl
SiHCl3 + HCl
Figure 112009074493482-PAT00003
SiCl4 + H2
이와 같이, 폴리실리콘은 빨갛게 달아오른 로드 필라멘트 (34) 표면에 모노실란이나 염화실란의 불균일 분해 후 화학기상증착(CVD)에 의해 제조된다. 증착 폴리실리콘 로드(36)의 직경을 원하는 크기까지 증가시킨 다음, 반응기 장치(10)를 끄고 반응 챔버(25)에서 공정 가스를 제거하고 반응기(30)를 열어 폴리실리콘 로드(32)를 수확한다.
최근에는 반도체급 폴리실리콘의 생산은 지멘스 공정을 통해서만 가능하다. 그러나 지멘스 공정은 에너지 집약적이기 때문에 지멘스 공정을 이용한 반도체급 폴리실리콘의 제조 단가는 상대적으로 매우 높다. 지멘스 반응기에서 폴리실리콘 제조에 드는 전기에너지 소모량은 통상적으로 65~200 KWh/kg 수준으로, 전기 에너지가 제조 단가 중 가장 큰 비용 요소이다. 따라서 폴리실리콘 제조에 소요되는 에너지 소모량의 절감 능력은 폴리실리콘 제조회사의 경쟁력과 밀접하게 관련되어 있다. 빨갛게 가열되는 로드(32)에서 방사되는 에너지는 냉각 기벽(30) 표면까지는 직접 열복사에 의해, 반응 챔버(25) 내의 공정 가스까지는 대류에 의해, 그리고 냉각된 로드 지지대(37) 또는 전극(39)까지는 열전도에 의해 전달된다. 특히 냉각 기벽(30)까지 직접 열복사에 의한 에너지 손실이 전체 에너지 손실량 중 대략 75~95% 정도를 차지한다. 그러므로 이러한 열복사에 의한 에너지 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 모색하는 것이 필요하다.
복사열 에너지를 조절하는 한 가지 메커니즘으로 비흡열 냉반사(cold reflection)가 있다. 복사열은 매개물의 온도에 의해 그 매개물에 의해 방출되는 복사 에너지로 정의된다. 복사열의 방사는 방사 물체(즉, 가열된 실리콘 로드(32))의 온도에 의해 지배된다. 복사 에너지가 어떤 매질의 표면에 부딪혔을 때, 그 복 사 에너지는 그 매질에 의해 반사되거나, 그 매질에 의해 흡수되거나 또는 그 매질을 통과하여 전달될 수 있다. 만약 그 입사 매질이 아주 매끄러운 표면을 가진 것이라면, 그 복사 에너지는 대부분은 반사된다. 어떤 매질에 입사되는 복사 에너지가 거의 대부분 반사되는 경우, 그 매질은 그 복사 에너지를 거의 흡수하지 않으며, 그러므로 그 매질의 온도는 거의 변함이 없다. 이러한 매질은 '비흡열 냉반사체(cold reflector)'라 할 수 있다. 이와 같은 '비흡열 냉반사체'의 경우, 그로부터 반사된 복사는 복사열 에너지가 아니다.
이런 '비흡열 냉반사체'를 이용한 에너지 절감 메커니즘의 일 예가 Koppl 등의 미국특허 4,173,944호(Silverplated vapor deposition chamber)에 소개되어 있다. Koppl 등은 냉각 기벽(30)의 내부 표면 즉, 내벽(30a)의 실리콘 로드(32)쪽 표면에 은(Ag) 도금을 하는 방법을 개시한다. 냉각 기벽(30)의 내벽(30a) 표면을 은도금 한 것은 실리콘 로드(32)로부터 나온 복사열 에너지를 고반사율로 반사함으로써 공정에 사용되는 전기에너지의 효율을 높이기 위한 것으로 이해된다. 그런데, 은도금 표면은 상대적 저온원인 냉각 기벽(30)의 일부로서 구성된 것이어서 그 은도금 표면에 입사된 복사열 에너지의 일부는 상시적으로 그 냉각 기벽(30)을 통해 소실되어 버리고, 그에 따라 은도금 표면은 항상 상대적 저온상태의 표면(cold surface)(냉각 기벽(30)의 온도보다 조금 더 높은 정도)으로 유지된다. 즉, 은도금 표면은 그 복사열을 자신의 내부에 흡수하여 스스로가 고온의 방사체가 되어 그 열을 재방사하는 작용을 하지 못하고, 오로지 입사되는 복사열을 반사하는 것을 통해서만 에너지 효율 증대에 기여하도록 설계된 것이다. 그러나 지멘스 반응기에서 은 도금된 냉각 기벽(30) 표면의 반사율을 초기의 높은 상태로 계속 유지하는 일은 가혹한 공정 환경 그리고 공정 물질의 냉각 기벽 표면으로의 증착으로 인해 쉽지 않다. 고반사율을 나타내기 위해 내벽(30a)의 은도금 표면을 고광택의 밝은 표면으로 유지하기 위한 관리의 부담이 별도로 발생한다. 그럼에도 불구하고 그 은도금 표면의 반사율 저하는 피할 수 없고, 그에 따라 전기에너지 절감량도 줄어드는 단점이 있다. 또한, 냉각 기벽(30)은 통상적으로 대략 100℃ (또는 200℃) 이하로 유지되며 250℃ (또는 400℃) 이상으로 올라가면 그로부터 불순물이 나와 반응 챔버(25)를 오염시킬 수 있다. 이런 점 때문에, 냉각 기벽(30) 특히 내벽(30a)의 온도는 250℃ (또는 400℃) 이하로 유지되어야 한다. 내벽(30a)의 은도금 표면이 열흡수를 최소로 하여 상대적 저온상태의 표면을 유지하도록 한 것도 이런 점들이 고려된 탓이다.
지멘스 CVD 반응기를 이용한 폴리실리콘 제조 시에 에너지 효율을 높이기 위해 다른 시도들도 있었다. 몇몇 회사들은 CVD 반응기 냉각 기벽(30) 내의 냉각제에서 나오는 폐열을 회수하여 사용하고 있다. 그러나 폐열 회수는 상대적으로 꽤 높은 냉각 온도를 필요로 하므로 반응기 벽면 온도를 뜨겁게 유지할 필요가 생긴다. 그러나 고온에서는 금속에서 불순물이 나오기 때문에 금속 벽의 온도를 뜨겁게 유지하는 것은 바람직하지 않다. 내부 단열 방법을 이용하여 고온 방사체를 설계할 수도 있으나, 역사적으로 보면 지멘스 공정을 사용하여 폴리실리콘을 생산하는 회사들은 불순물 오염 가능성 때문에 지멘스 반응기의 공정 챔버(25) 안에는 어떤 물질도 추가하는 것을 꺼려한다.
높은 복사 에너지 손실과 관련된 또 다른 문제점은 가열된 실리콘 로드의 표면에서 중심까지 반경방향으로 가파른 온도 기울기(편차)가 발생하는 점이다. 로드 표면에서는 에너지를 잃게 되므로, 실리콘 로드의 표면 온도를 CVD 공정 동역학에 적합한 온도로 유지해야 하기 위해서는 로드의 중심까지 반경방향의 온도 기울기가 증가할 수밖에 없게 된다. 미국특허 제6,221,155호에서 Keck은 전기적으로 가열된 로드 내부의 전류량은 실리콘의 역온도-저항 거동에 따라 실리콘 로드의 중심을 향해 이동한다고 하였다. 또한 그에 따르면, 실리콘 로드 표피 부분은 로드 중심부 안에서 생성되는 에너지에 대해 절연체처럼 작용한다. 이와 같은 전류량의 이동과 로드 표피 부분의 절연체 효과는 실리콘 로드의 표피 부분보다 중심 부분이 더 뜨거운 상태에서 운전되는 결과를 낳는다. 그 결과 CVD 공정 종료 후 실리콘 로드가 냉각될 때 그 로드의 중심 부분의 인장강도가 더 높아지게 되고, 그로 인한 응력은 그 응력이 그 물질의 극한 강도보다 클 때 부서지기 쉬운 균열상태를 초래한다. 게다가 Keck 은 로드 내부의 응력은 로드의 직경이 증가함에 따라 증가하기 때문에, 지멘스 CVD 공법을 사용할 경우, 실리콘 로드의 내부와 외부 온도 편차(기울기)를 줄이지 않고는 실리콘 로드를 실질적으로 150mm 이상의 대구경까지 키우는 것이 어렵다고 하였다.
폴리실리콘의 녹는 점은 대략 1414℃이다. 만약 실리콘 로드 표면의 온도가 삼염화실란의 열분해가 일어나는 적당한 온도(대략1150℃)에 도달했고 로드의 중심 온도가 증가되었다면, 로드 직경이 매우 켜졌을 때에는 로드 중심이 녹는 점에 도달하여 로드가 녹아서 쓰러지는(rod integrity failure) 상황까지 발생하는 수가 있다. 실리콘 로드의 직경이 큰 경우, 로드가 녹는 것을 막기 위해서는 표면 온도가 낮아져야 한다. 그런데 로드의 표면 온도가 감소되면 열분해 동역학 속도는 줄어들고 반응기 생산 능력도 줄게 된다.
지멘스 반응기를 이용한 폴리실리콘 로드 제조공정에 있어서 에너지 절감을 위해서는 이상에서 언급한 문제점들이 종합적으로 고려되고 해결될 필요가 있다. 이런 관점에서, 본 발명은 기존에 비해 폴리실리콘 제조에 소요되는 전기에너지 소비량을 크게 줄여주어 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 그러한 에너지 절감 능력이 공정의 지속에도 크게 영향을 받지 않고 일정하게 유지될 수 있는 CVD 반응기 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 CVD 공정 중에 폴리실리콘 로드의 알짜 에너지 손실을 줄임으로써 폴리실리콘 로드 내부 전체의 온도 편차를 줄이고, 또한 인장 응력을 감소시켜 대구경의 폴리실리콘 로드를 생산할 수 있는 CVD 반응기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 반응 챔버 내의 공정 환경을 훼손하는 불순물의 발생이 거의 없는 방식으로 전기에너지 소비량을 줄일 수 있는 CVD 반응기 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명자는 복사열 에너지를 조절하는 다른 메커니즘으로서 고온 방사(hot emission)에 주목하였다. 복사 에너지가 비반사 성 매질에 의해 흡수되는 경우, 그 매질은 뜨거워진다. 이러한 완전 복사체 내지 흑체(black-body)로 볼 수 있는 매질은 자신의 온도가 증가함에 따라, 아래 식 (1)로 표현되는 스테판-볼츠만 법칙(Stefan-Boltzmann law)에 따라 복사열을 방출하기 시작한다. 이러한 매질은 '고온 방사체'(hot emitter)라 할 수 있다.
q = σA T4 ......(1)
여기서, q = 방사체로부터 방사되는 열 복사량
σ= 스테판-볼츠만 상수
A = 방사체의 표면적
T = 방사체의 절대온도
본 발명자는 다양한 실험을 통해 이 고온 방사체 메커니즘은 본 발명의 목적을 달성하는 데 가장 효과적인 수단이 될 수 있음을 확인하였고, 그에 따라 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 CVD 반응기를 발명하는 데 성공하였다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 냉각 기벽을 갖는 한 개 이상의 반응 챔버를 포함하는 반응 용기; 상기 반응 챔버 안으로 연장된 복수의 전극; 상기 반응 챔버 내에서 양 단부가 상기 복수의 전극 중 서로 다른 두 전극에 연결되며, 상기 두 전극을 통해 자신에 전류가 흐를 때 고온으로 가열되는 적어도 한 개의 로드 필라멘트; 상기 반응 용기의 내부까지 연결되어, 실리콘 함유 원료가스를 상기 반응 챔버 안으로 공급하여 화학기상증착(CVD) 반응에 의해 가열된 상기 로드 필라멘트 표면에 폴리실리콘을 증착시켜 폴리실리콘 로드를 생산하도록 하는 실리콘 함유 가스원; 및 고온 가열되는 상기 로드 필라멘트와 상기 냉각 기벽 사이 및 상기 로드 필라멘트와 상기 반응 챔버의 바닥 사이 중 적어도 어느 하나에 위치하여 상기 폴리실리콘 로드에서 방사된 복사열 에너지의 상기 냉각 기벽 및 상기 반응 챔버의 바닥 중 적어도 어느 하나로의 열전달을 차단하는 복사열 차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기가 제공된다.
CVD 공정 중에 고온으로 가열된 폴리실리콘 로드와 냉각 기벽 사이에 설치된 그 '고온 방사체' 복사열 차단막(혹은 차단막들)은 로드에서 방사되는 열복사를 차단하여 냉각 기벽에 열 차단효과(shadow)를 제공한다. 그 회색체(gray-body) CVD 공정 중에 복사열 차단막이 폴리실리콘 로드에서 나오는 복사열 에너지를 흡수하면 그 복사열 차단막의 온도는 증가한다. 그 고온 방사체 차단막은 자신의 온도가 증가하는 만큼 늘어난 양의 복사열을 방사하는데, 그 복사열의 일부는 가열된 폴리실리콘 로드 쪽으로 방사하고 나머지는 냉각 기벽 쪽으로 방사된다. 폴리실리콘 로드 쪽으로 방사되는 에너지량만큼 로드의 알짜 에너지 손실도 감소된다. 상기 복사열 차단막은, 상기 CVD 반응 중에, 온도가 400℃ 이상으로 유지되는 것이 바람직하다. 특히, 복사열 차단막은 자신의 표면 중 가열된 상기 폴리실리콘 로드와 마주보는 표면의 온도가 400℃ 이상으로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판(base plate)과 이 기판 위를 덮는 냉각 기벽에 의해 반응 챔버를 형성하는 반응 용기; 상기 반응 용기 외부에서 상기 기판을 통해 상기 반응 챔버 안으로 연장되어 그 말단에 복수의 전극이 마련된 전기 급전부; 상기 반응 챔버 내에서 상기 전기 급전부의 상기 복수의 전극 중 서로 다른 두 전극에 양 단부가 연결되어 폐회로를 형성하고, 상기 전기 급전부를 통해 자신에게 흐르는 전류에 의해 고온으로 가열되는 적어도 한 개의 로드 필라멘트; 외부에서 상기 반응 챔버까지 연결된 가스 유입관과 가스 유출관을 통해 실리콘 함유 원료가스를 상기 반응 챔버 안으로 공급하여 화학기상증착(CVD) 반응에 의해 가열된 상기 로드 필라멘트 표면에 폴리실리콘을 증착시켜 폴리실리콘 로드를 생산하도록 하는 실리콘 함유 가스원; 및 고온 가열되는 상기 로드 필라멘트와 상기 냉각 기벽 사이 및 상기 로드 필라멘트와 상기 반응 챔버의 바닥 사이 중 적어도 어느 하나에 위치하여 상기 냉각 기벽과 상기 반응 챔버의 바닥 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부를 커버 하며, 상기 CVD 반응 중에 상기 폴리실리콘 로드에서 방사된 복사열을 흡수하여 자신의 온도가 400℃ 이상으로 유지되면서 그 흡수열의 일부를 상기 폴리실리콘 로드 쪽으로 재방사함으로써 상기 폴리실리콘 로드의 열에너지 손실을 줄여주기 위한 복사열 차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기가 제공된다.
상기 CVD 반응기에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽에 대해서는 상기 로드 필라멘트를 포위하면서 상기 냉각 기벽 표면의 적어도 일부를 커버하도록 설치되고, 상기 반응 챔버의 바닥(기판)에 대해서는 그 바닥면의 적어도 일부를 커버하도록 설치되는 것이 바람직하다.
폴리실리콘 로드의 중심부(core)는 표피 온도 이상으로 올라간다. 폴리실리콘 로드의 에너지 손실의 감소는 폴리실리콘 로드의 방사상 온도 편차를 줄여주고 또한 그 결과로 얻어지는 인장 응력의 감소로 인해 로드를 대구경으로 성장시키는 것이 가능하게 된다. 지멘스 CVD 반응기의 생산 능력은 폴리실리콘 로드의 직경이 증가함에 따라 증가한다.
복수의 고온 방사체 복사열 차단막들이 다중 겹으로 적층된 형태로 설치되는 것이 더 바람직하다. 다중 겹으로 된 고온 방사체 복사열 차단막들은 (혹은 단일 차단막 내에 여러 개의 차단층) 단층으로만 구성된 단일 차단막 보다 더 효율적으로 에너지를 보존할 수 있다. 각각의 복사열 차단막은 로드의 에너지 보존에 독립적으로 기여한다. 다중 겹으로 적층하는 경우, 상기 복수의 복사열 차단막들은 그들의 층간에 다중 공간(multiple gaps)이 존재하도록 느슨하게 겹쳐져 있는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.
복수 개의 복사열 차단막을 설치하는 경우, 상기 복수 개의 복사열 차단막은 상기 로드 필라멘트에서 상기 냉각 기벽 쪽으로 볼 때, a) 2겹 이상의 다중 겹 구조로 중첩 배치되거나, 또는 b) 단겹 구조로 서로 간에 이격 배치되거나, 또는 c) 상기 다중 겹 구조의 중첩 배치와 상기 단겹 구조의 이격 배치가 혼용된 형태로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 고온 방사체 복사열 차단막은 열전도도가 낮은 물질로 만드는 것이 바람직하다. 상당한 두께의 낮은 열전도도를 갖는 복사열 차단막들은 그 자신의 두께를 통과하는 열전달을 제한하는 것에 의해 마치 절연체처럼 작용을 하여 열복사 소 스(즉, 가열된 로드)와 마주보는 그 복사열 차단막의 표면이 복사열을 방사케 하고, 그에 의해 전체적인 에너지 보존량을 증가시키게 된다.
상기 복사열 차단막은, 상기 CVD 반응 중에, 온도가 400℃ 이상으로 유지되는 것으로 만들어지는 것이 바람직하다. 특히, 상기 복사열 차단막은, 상기 CVD 반응 중에, 자신의 표면 중 상기 가열된 로드와 마주보는 표면의 온도가 400℃ 이상 유지되는 것으로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 사이에 적어도 열전도 저항으로 작용할 수 있는 최소한의 미세한 갭이 존재하도록 이격 설치되는 것이 바람직하다. 하지만 상기 복사열 차단막은, 상기 냉각 기벽과의 사이에 다수의 틈(빈 공간)이 존재하도록, 상기 냉각 기벽의 표면에 느슨하게 접촉되게 설치되는 것도 무방하다.
상기 복사열 차단막은 k/τ값이 3,000 와트/켈빈(Watt/Kelvin) 이하인 조건을 만족하는 두께와 열전도도를 갖도록 만들어지는 것이 바람직하다. 여기서, k 는 상기 복사열 차단막의 열전도도이고, τ는 상기 복사열 차단막의 두께이다. 이 조건을 만족한다면, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 열전달 전도도에 대한 갭 저항(gap resistance)이 없을 정도로 상기 냉각 기벽에 밀접하게 압착 설치되는 것도 무방하다.
상기 복사열 차단막은 0.05 ~ 1.0 의 분광학적 표면 방사율을 갖는 물질로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 복사열 차단막은 실리콘, 흑연, 실리콘 카바이드(SiC) 중 적어도 어느 하나로 만들어지는 것이 바람직하다. 상기 복사열 차단막을 만드는 데 이용할 수 있 는 재질은 이것에만 국한 되는 것은 아니다. 상기 복사열 차단막은, 실리콘 카바이드가 코팅된 물질, 질화규소(실리콘 질화물), 실리콘, 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 질화 붕소, 몰리브덴이나 몰리브덴 기반으로 된 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 기반으로 된 합금, 탄탈륨 또는 탄탈륨 기반으로 된 합금, 실리카 기반으로 된 다공성 물질, 알루미노실리케이트 기반으로 된 다공성 물질, 금이 코팅된 다공성 물질, 금이 코팅된 물질, 백금이 코팅된 다공성 물질, 백금이 코팅된 물질, 실리카가 코팅된 다공성 물질, 실리카가 코팅된 물질, 은이 코팅된 다공성 물질, 은이 코팅된 물질, 그리고 펄라이트로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 한 가지 또는 이들 중 둘 이상의 조합으로 만들어질 수 있다.
상기 복사열 차단막은 고온 방사(>400℃)에 의한 열 차단효과, 다층 차단막 열차단 효과, 차단막 물질의 낮은 방사율에 의한 차단막 효과, 차단막 두께만큼 열전도 감소에 따른 단열 효과 중 적어도 어느 하나의 효과에 의해 상기 로드로부터 나오는 열에너지 손실을 감소시킨다. 차단막의 효율은 반응기 내부에서의 차단막 위치에 따라 크게 달라진다. 차단막은 가열된 로드에서 나온 복사열 에너지를 가로채는 것에 의해 그것의 열복사 소스 대향면(가열된 로드와 마주보는 면)이 뜨겁게(고온으로) 유지되는 방식으로 위치시켜야 한다.
본 발명이 제안하는 것처럼 지멘스 CVD 반응기 내에 로드 필라멘트와 냉각 기벽 사이에 복사열 차단막을 설치하면 가열된 필라멘트 로드에서 냉각 기벽쪽으로 방사되는 복사열 에너지를 차단하여 반응기 내부의 폴리실리콘의 표면에서의 열 손 실량을 줄여준다. 그 결과 폴리실리콘 로드의 알짜 에너지 손실량이 감소되고, 따라서 지멘스 CVD 반응기의 온도조절 메커니즘에 의해 그 CVD 반응기의 전체적인 전기 에너지 소모량을 크게 절감시켜준다.
이와 더불어, 폴리실리콘 로드의 알짜 에너지 손실량의 감소에 의해 폴리실리콘 로드의 표면 온도의 강하를 줄여줌으로써 폴리실리콘 로드의 중심과 표면 간의 온도 편차가 크게 감소되고 부속적인 인장 응력을 감소시키게 된다. 그에 따라 폴리실리콘 로드를 대구경으로 키울 수 있게 되어 지멘스 CVD 반응기의 생산 능력이 크게 향상된다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 지멘스 CVD 반응기(100)를 도시하는 단면도이다. 이 CVD 반응기(100)는 종래의 통상적인 CVD 반응기(10)에 비해, 고온 방사체 복사열 차단막(또는 차단막들)(20)을 더 가지며, 이 복사열 차단막(20)에 관련된 구성 외의 나머지 구성은 동일하다. 이 고온 방사체 복사열 차단막(20)은 폴리실리콘 로드(32)(즉, 로드 필라멘트 (34))와 반응기(30)의 냉각 기벽(30a)의 사이에 설치된다. 도 3은 도 2의 절단선 A-A에서 내려본 단면도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 복사열 차단막(20)은 로드 필라멘트(34)를 포위하면서 냉각 기벽(30a)의 내부 표면 전체를 커버하도록 설치되는 것이 바람직하다. 그렇지만 복사열 차단막(20)이 냉각 기벽(30a)의 표면 전체가 아닌 일부를 커버하도록 설치될 수도 있다. 예컨대 도 4는 네 부분으로 된 복사열 차단막(120)들이 제1 내지 제4 상한(반응 챔버(25)의 중심에서 볼 때)의 각 영역의 측면 둘레를 부분적으로 커버하 도록 배치된 것을 도시한다. 또한, 도 5와 도 6에 도시된 것처럼 복사열 차단막(220)이 냉각 기벽(30a)의 측면의 둘레를 부분적으로 커버하면서 냉각 기벽(30a)의 상부는 커버하지 않는 형태로 배치될 수도 있다(참고로, 도 5와 6에 도시된 복사열 차단막(220)은 복수층으로 구성된 것이어서 굵게 표시하였음). 다른 형태로는, 복사열 차단막(220)이 냉각 기벽(30a)의 측면 둘레는 전부 커버하되 상부는 커버하지 않는 형태로도 배치될 수 있다. 이 밖에도 복사열 차단막이 냉각기벽(30a)의 일부만을 커버하도록 설치하는 형태는 다양할 수 있다. 이처럼 어떤 형태의 배치이든 상관없이 복사열 차단막이 냉각 기벽(30a)의 일부만을 커버하도록 배치되면 그 커버하는 영역만큼의 복사열 차단효과를 제공할 수 있다.
고온 방사체 복사열 차단막(혹은 차단막들)(20)은 가열된 폴리실리콘 로드(32) 에서 방사되는 열을 차단하여 냉각 기벽(30a) 표면 상에 열차단 그림자를 만들어 열차단 효과를 제공한다. 회색체(gray-body) 복사열 차단막(20)은 가열된 폴리실리콘 로드(32)에서 나오는 복사열 에너지를 차단하고 흡수하여 반응기 내부 온도가 증가되게 하는 효과를 가져온다. 그 고온 방사체 복사열 차단막(20)은 자신의 온도가 증가되는 만큼 열 복사량을 증가시키는데, 그 복사열의 일부는 가열된 폴리실리콘 로드(32) 방향으로, 나머지 일부는 냉각 기벽(30a) 방향으로 전달된다. 복사열 차단막(20)은 자신의 온도가 가열된 폴리실리콘 로드(32)의 온도 보다는 낮고 냉각 기벽(30a)의 온도 보다는 높은 정도에서 평형상태 혹은 안정상태에 도달하게 된다.
가열된 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이의 알짜 에너지 손실은 잘 알려진 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙에 의해 이론적으로 설명될 수 있다. 똑같은 표면적을 갖는 두 개의 동심 원기둥에 관한 알짜 에너지 전달은 다음과 같다.
q = σA (T1 4 - T2 4) / (1/ε1 + (1/ε2 - 1)) ......(2)
여기서, q = 방사된 열복사량
σ = 스테판 볼츠만 상수
A = 로드(32) 표면적
T1 = 로드(32)의 절대 온도
T2 = 냉각 기벽(30a)의 절대 온도
ε1 = 로드(32)의 분광학적 표면 방사율
ε2 = 냉각 기벽의 분광학적 표면 방사율 이다.
식 (2)로부터 알 수 있는 것은, 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이의 알짜 에너지 손실은 그들 온도의 4제곱승의 차이에 직접 비례하기 때문에, 그리고 폴리실리콘 로드(32)와 복사열 차단막(20) 간의 온도차가 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이의 온도차 보다 낮기 때문에, 가열된 폴리실리콘 로드(32) 의 알짜 에너지 손실은 고온 방사체 복사열 차단막(20)의 부가에 의해 감소된다는 것이다. 폴리실리콘 로드(32)의 알짜 에너지 손실의 감소에 따라 그 폴리실리콘 로드(32) 표면 온도가 증가하게 되고, 그에 따라 폴리실리콘 로드(32) 표면으로부터 방사되는 열 복사량은 (그 폴리실리콘 로드(32)에 공급되는 에너지는 일정하다고 가정함) 감소한다. 그러나 지멘스 CVD 공정은 폴리실리콘 로드(32)의 표면 온도에 대해 특정한 값이 요구되므로, 공정의 온도-조절-루프(temperature-control-loop)는 일정한 표면 온도를 유지하기 위해 폴리실리콘 로드(32)에 공급되는 전기에너지를 감소시키는 방향으로 작용한다. 따라서 에너지가 절약된다.
지멘스 CVD 반응기(100)에 있어서, 고온 방사체 복사열 차단막(20)은 온도가 400℃ 이상으로 유지되기만 하면 매우 유용하다. 스테판-볼츠만 법칙에 실제 수치를 대입하여 도 9의 그래프를 얻었다. 도 9의 그래프는 퍼센트(%) 에너지 절약을 지멘스 CVD 반응기(100)의 복사열 차단막의 내부 표면 온도(innermost surface temperature of heat shield)의 함수로서 나타낸 것이다. 이에 따르면, 지멘스 CVD 반응기 차단막(20)은, 400℃ 에서, 가열된 폴리실리콘 로드(32)로부터 나오는 복사열 에너지의 손실을 3.9% 정도 줄여준다. 에너지 절감율이 최소한 4% 정도는 되어야 실질적인 절감 효과가 있다고 볼 수 있다. 그러므로 CVD 반응기(100)의 에너지를 절약함에 있어서 복사열 차단막(20)의 내부 온도가 대략 400℃ 이상의 온도를 유지하는 것이 에너지 절약을 효과적으로 할 수 있다. 도시된 그래프에 따르면, 또한 에너지 절감율은 복사열 차단막의 내부 표면 온도가 더 높아질수록 증가하는데, 복사열 차단막의 내부 표면 온도가 대략 550℃ 정도가 되면 에너지 절감율은 10% 정도가 되며, 복사열 차단막의 내부 표면 온도가 1,000℃가 되면 에너지 절감율이 무려 약 64% 정도가 된다. 따라서 복사열 차단막(20)을 구성하고 설치함에 있어서 그것의 내부 표면 온도가 고온으로 유지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
고온 방사체 복사열 차단막(20)의 내부 표면 온도를 원하는 고온으로 유지하기 위한 바람직한 한 가지 방안은, 그 복사열 차단막(20)과 냉각 기벽(30a) 사이에 갭(gap)을 제공하는 것이다. 가열된 폴리실리콘 로드(32)에서 나온 복사열 에너지는 복사열 차단막(20)에 의해 흡수되어 그 복사열 차단막(20)의 온도 상승을 야기한다. 만약 그 복사열 차단막(20)으로 유입되는 에너지 흐름이 고정되어 있으면, 그 복사열 차단막(20)의 최종 안정-상태의 온도는 그것의 에너지 손실률에 따라 달라진다. 복사열 차단막(20)과 냉각 기벽(30a) 간의 갭은 그 냉각 기벽(30a)에 대한 직접 열전도에 의한 차단막(20)의 에너지 손실을 막아준다. 직접적인 열전도를 막아주면 되므로 갭의 거리는 중요하지 않다. 예컨대 10㎛와 같이 초미세 갭도 의미가 있다.
고온 방사체 복사열 차단막(20)의 원하는 고온 표면은 냉각 기벽(30a)에 대한 열전도를 제한하는 차단막을 제공함으로써 생성될 수 있다. 만약 복사열 차단막(20)과 냉각 기벽(30a) 간의 열전달 전도도에 대한 갭저항(gap resistance)이 없을 정도로 그 차단막(20)이 냉각 기벽(30a)에 타이트하게 압착되어 있는 경우라면, 복사열 차단막(20)의 두께와 낮은 열전도도가 복합적으로 작용하여 그 복사열 차단막(20)의 에너지 손실을 제한함으로써 그 복사열 차단막(20)의 표면 중 가열된 폴리실리콘 로드(32)와 마주보는 표면의 온도가 400℃ 이상 유지되도록 할 수 있다. 복사열 차단막(20)을 통한 에너지 전달은 푸리에의 전도법칙(Fourier's Law of Conduction)에 따라 다음 식 (3)으로 표현된다.
q = k/τAΔT ......(3)
여기서, q = 전달된 에너지
k = 복사열 차단막(20) 물질의 열전도도
A = 열전달 영역의 단면적
ΔT = 온도 차(복사열 차단막(20)의 앞쪽과 뒤쪽 간의)
τ= 복사열 차단막(20)의 두께
복사열 차단막(20)의 온도가 400℃나 그 이상으로 유지되도록 그 냉각 기벽(30a)에 대한 열 전달을 효과적으로 제한하기 위해서는, k/τ항(즉, 복사열 차단막을 구성하는 물질의 열전도도(k)와 복사열 차단막의 두께(τ)의 비)이 대략 3,000 와트/켈빈(Watt/Kelvin) 정도나 그 이하로 유지되어야 한다.
가열된 폴리실리콘 로드(32) 내부에서 저항가열로 생긴 에너지가 감소하고(복사열 차단막(20)의 존재 때문에) 로드(32) 표면의 복사에너지 손실이 감소함에 따라, 폴리실리콘 로드(32) 내에서 방사방향의 온도 편차는 감소하게 된다. 로드 지지체(39, 37, 38)에서의 열전도에 의한 손실이 없다고 가정하면, 저항가열에 의해 폴리실리콘 로드(32) 내에 발생한 열에너지는 전량이 열복사 및 대류에 의해 폴 리실리콘 로드(32) 표면에서 소진되어야 한다. 푸리에 전도 법칙(Fourier's Law of Conduction)은 열전달 감소가 방사상 온도-편차(ΔT/Δr)의 감소 원인이 되는 점을 분명하게 설명하고 있는데, 그러한 감소로 인해 로드 직경이 원하는 수준에 도달한 다음 실온까지 냉각시켰을 때 잔존하는 로드 응력이 낮아지는 결과가 얻어진다.
낮은 응력은 폴리실리콘 로드(32)의 직경을 더 크게 키울 수 있게 하며 지멘스 CVD 반응기(100)의 생산 능력이 증가하는 요인이 된다. 지멘스 CVD 반응기(100)의 생산 능력은 공정 챔버(25) 내에 존재하는 로드 필라멘트(34)나 폴리실리콘 로드(32)의 가용 표면적에 의해 제한된다. 폴리실리콘 로드(32) 표면적은 직경에 비례하기 때문에, 더 큰 직경의 로드로 키워지면 평균 가용 표면적은 증가하게 된다. 더 많은 표면적은 반응 챔버(25) 내부로 유입된 실리콘 함유 가스가 폴리실리콘 형태로 더 많이 증착되는 것을 허용하기 때문에 결국은 지멘스 CVD 반응기(100)의 평균 생산 속도의 증대를 가져온다.
또한 폴리실리콘 로드(32)의 감소된 열 편차는 그 폴리실리콘 로드(32)의 중심부 온도가 녹는 점까지 올라 조기에 공정을 일괄 중단시켜야 하는 염려를 할 필요가 없이, 최적 온도인 1150℃ 에서도(예를 들면 삼염화실란의 CVD 분해 온도) CVD 공정을 대구경까지 운전할 수 있게 허용해준다.
한편, 복수의 복사열 차단막들(혹은 단일 차단막 내에 여러 개의 차단층)은 단일 차단막보다 에너지 보존을 더 효율적으로 한다. 도 7은 세 겹의 복사열 차단막(320-1, 320-2, 320-3)이 한 세트의 복사열 차단막(320)을 이루어 냉각 기벽(30a)의 둘레를 전부 커버하도록 설치된 예를 도시한다. 여러 겹으로 부가되는 각 복사열 차단막(320-1, 320-2, 320-3)은 복사열 에너지를 흡수하고 그 흡수한 에너지를 에너지소스 쪽으로 재방사함으로써 에너지 전달 저항을 위한 부가적인 층으로 기능한다. 각각의 복사열 차단막(320-1, 320-2, 320-3)은 두 개의 표면을 갖고 있는데, 한쪽 면은 복사열 에너지원(즉, 폴리실리콘 로드(32)) 쪽을 향해 있고 반대면은 상대적으로 저온인 냉각 기벽(30a) 쪽을 향하고 있다. 두 개의 복사열 차단막(320-1, 320-3)이 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이에 설치되고 그리고 차단막-1(320-1)은 폴리실리콘 로드(32)에 가장 가깝고 차단막-3(320-3)는 냉각 기벽(30a)에 가장 가까운 경우를 가정하자. 이 경우에는, 차단막-3(320-3)은 차단막-1(320-1)로부터 방사되는 열복사 에너지를 차단한다. 차단막-3(320-3)의 온도는 에너지를 흡수하는 만큼 증가한다. 차단막-3(320-3)의 온도가 증가함에 따라, 차단막-1(320-1)에서 차단막-3(320-3)로의 알짜 에너지 전달은 차단막들(320-1, 320-3) 간의 온도의 4제곱승의 차이가 감소하게 되므로 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann) 법칙에 따라 감소한다. 이처럼 다중 차단막의 열차단 효과는 개개 층이 전체 에너지 전달을 감소시키는 만큼 증가한다. 그러므로 복사열 차단막은 가능한 한 많은 층을 사용하는 것이 바람직하다.
만약 두 개의 복사열 차단막이 그들 사이에 갭(빈 공간)이 거의 없을 정도로 서로 단단히 눌러 붙어있으면, 그 복사열 차단막들 간의 열전달은 (열복사가 아니라) 열전도를 통해서 일어나고 이들은 마치 하나의 복사열 차단막인 것처럼 작용한다. 그러나 두 개의 복사열 차단막이 그들 사이에 수 많은 갭(공간)이 존재하는 것처럼 느슨하게 접해 있는 경우에 개개 층은 부분 차단막 혹은 차단막의 일부로 작 용한다. 도 8에 도시된 복사열 차단막(420)은 3개의 복사열 차단막(420-1, 420-2, 420-3)이 층과 층이 일부 지점(접촉점)에서만 직접 접촉되어 있고 나머지 부분에서는 층과 층 사이에 갭(빈 공간)이 많이 마련되도록 구성된 경우를 도시한다. 이처럼 여러 층의 복사열 차단막(420-1, 420-2, 420-3)을 느슨하게 겹쳐서 다층 복사열 차단막(420)을 구성하여 사용하면 편리하다.
또한 복사열 차단막은 냉각 기벽(30a)과 접촉시켜 설치할 수도 있다. 도 8은 복사열 차단막(420), 보다 구체적으로는 바깥층 복사열 차단막(420-3)이 냉각 기벽(30a) 표면에 아주 느슨하게 표면 접촉을 이루도록 설치한 경우를 도시한다. 그 경우, 복사열 차단막(420)은 냉각 기벽(30a)에 접촉된 부분을 통해서는 열전도로 에너지를 잃게 되지만, 냉각 기벽(30a)과 접촉되지 않은 부분과 냉각 기벽(30a)간의 갭(빈 공간)은 복사에 의한 열전달만 허용할 뿐 열전도에 의한 열전달은 차단한다. 예컨대 복사열 차단막(420-3)이 그것의 전체 표면적의 단지 5%만 냉각 기벽(30a)과 표면 접촉하도록 설치한 경우, 그 접촉 부분을 통해서는 냉각 기벽(30a)에 열전도로 에너지를 잃게 되지만, 복사열 차단막(420-3)에서 냉각 기벽(30a)까지의 열전달은 95% 정도 제한한다.
위에서 언급한 효과들을 조합하면 복사열 차단막을 400℃나 그 이상으로 유지하는 데 효과적일 수 있다. 예들 들어 복사열 차단막이 냉각 기벽(30a)과 접촉하고 있지만 그 복사열 차단막과 그 냉각 기벽(30a) 사이에 다수의 갭(multiple gaps)이 남아 있으면, 열전도를 통한 에너지 손실은 제한될 것이다. 도 8에 도시된 것처럼 3개 층의 '고온 방사체' 복사열 차단막(420-1, 420-2, 420-3)이 '느슨한 접 촉(loosely touching)' 또는 '가볍게 압착된(lightly pressed)' 형태로 복사열 차단막(420)이 구성되고, 그 복사열 차단막(420) 또한 냉각 기벽(30a)에 느슨하게 접촉되어 그들 사이에 갭이 많이 마련되면, 훌륭한 열차단 효과를 제공할 수 있다.
복사열 차단막의 열전도도(k)와 두께(τ)의 비 k/τ값이 3,000 Watt/Kelvin 근처나 그 이하가 되도록 복사열 차단막의 실질적인 두께와 낮은 열전도도를 적절히 조합하면, '느슨한 접촉'의 복사열 차단막은 그 자신의 온도를 400℃나 그 이상으로 유지할 수 있다. 예를 들면 차단막 사이가 완전히 이격된 50개의 개별 차단막으로 만들어진 것처럼 작용하는, 느슨하게 겹쳐진 100개층의 차단막을 이용하여 구성된 경우를 생각해 볼 수 있다.
지멘스 CVD 반응기의 냉각 기벽(30a)에 밀접하게 압착된 다층형(또는 다겹형) 복사열 차단막의 각 층간이나 또는 그 복사열 차단막의 층들과 냉각 기벽(30a) 간에 갭이 없는, k/τ> 3,000 (Watt/Kelvin)인, 얇은 복사열 차단막은 그 복사열 차단막의 표면 온도가 냉각 기벽(30a)의 온도와 실질적으로 거의 같기 때문에 마치 복사열 차단막이 없는 것처럼 작용한다. 그러므로 그러한 복사열 차단막은 폴리실리콘 로드(20)와 냉각 기벽(30a) 사이의 가스 공간에 위치해야 하거나(즉, 냉각 기벽(30a) 표면에 직접 접촉하지 않게 설치), 복사열 차단막과 냉각 기벽(30a) 사이에 많은 갭(공간)이 유지될 정도로 느슨하게 그 냉각 기벽(30a)에 접해 있도록 설치되거나 또는, 복사열 차단막이 k/τ가 k/τ< 3,000 (Watt/Kelvin)을 만족하는 두께와 열전도도를 갖도록 만들어지거나(이 경우에는 복사열 차단막이 냉각 기벽(30a) 표면에 압착되는 형태로 설치되어도 무방함) 또는 이와 같은 설계 변수들 을 조합하여 사용한 복사열 차단막이어야 한다.
k/τ<3,000 (Watt/Kelvin)을 만족할 정도로 복사열 차단막이 꽤 두껍고 낮은 열전도도를 갖는 차단 물질인 경우에는 그 복사열 차단막의 두께만큼 열전달을 제한함으로써 열절연체로 작용할 것이다. 전반적인 효과는 전체 열복사 에너지 전달이 감소된다는 점이다. 그런 경우에는 복사열 차단막의 복사열 에너지 입사면이 반대면 보다 상당히 더 높은 온도에서 운전된다.
스테판-볼츠만(Stefan Boltzmann) 법칙에 의하면 복사열 차단막의 분광학적 표면 방사율(spectral surface emissivity)은 에너지 전달에 영향을 준다. 0.05 ~ 1.0의 범위에 걸친 표면 방사율을 갖는 '고온 방사체' 복사열 차단막 물질들은 에너지 전달을 억제하는 효력을 가지고 있다. 그러나 반사는 한쪽 방향으로만 일어나는 데 비해 방사는 (복사열 차단막의 양쪽 면을 통해서) 두 방향으로 일어나기 때문에 최저의 분광학적 표면 방사율을 갖는 물질들이 가장 효과가 좋다.
한편 지멘스 CVD 반응기에 복사열 차단막을 설치함에 있어서 가장 결정적인 요소는 복사열 차단막 물질이 비오염 물질이어야 한다는 점이다. 대부분의 모든 물질들은 고온에서 반응하고 열분해되거나 불순물이 밖으로 나온다. 고온에서 흑연은 수소와 서서히 반응하여 메탄 가스를 생성하는데, 흑연 표면에 SiC 코팅을 하게 되면 수소가 코팅 막을 침투하지 못하여 탄소와 수소의 반응을 감소시킨다. 실리콘이나 흑연 표면의 실리콘 카바이드(SiC) 코팅, 혹은 이와 유사한 고순도 물질, 또는 고온 안정성이 우수한 물질 표면에 고순도 물질을 코팅한 것들은 모두 지멘스 CVD 반응기의 복사열 차단막을 만드는 물질로 적합할 것이다. 이 특허 기술 분야에서의 당업자라면 이러한 점을 고려하여 여러 가지 다양한 물질들에서 선택하여 사용할 수 있을 것이다. 예를 들어, 질화규소(실리콘 질화물)(Silicon Nitride), 실리콘 산화물(Silicon Oxides), 알루미늄 산화물(Aluminum Oxides), 질화 붕소(Boron Nitride), 몰리브덴이나 몰리브덴 기반으로 된 합금(Molybdenum or Molybdenum based alloys), 텅스텐 또는 텅스텐 기반으로 된 합금(Tungsten or Tungsten based alloys), 탄탈륨 또는 탄탈륨 기반으로 된 합금(Tantalum or Tantalum based alloys), 실리카 기반으로 된 다공성 물질(Silica based Porous Materials), 알루미노실리케이트 기반으로 된 다공성 물질(Aluminosilicate based Porous Materials), 금이 코팅된 다공성 물질(Gold coated Porous Materials), 금이 코팅된 물질(Gold coated Any Materials), 백금이 코팅된 다공성 물질(Platinum coated Porous Materials), 백금이 코팅된 물질(Platinum coated Any Materials), 실리카가 코팅된 다공성 물질(Silica coated Porous Materials), 실리카가 코팅된 물질(Silica coated Any Materials), 은이 코팅된 다공성 물질(Silver coated Porous Materials), 은이 코팅된 물질(Silver coated Any Materials), 그리고 펄라이트(Perlite) 등과 같은 물질들 각각이나 이들의 조합이 본 발명이 제안하는 복사열 차단막을 구성하는 물질로 이용될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 복사열 차단막의 열에너지 차단 효율을 증명하기 위해 다음과 같은 세 가지 실시예를 수행해 보았다. 지멘스 CVD 반응기에 복사열 차단막을 전혀 설치하지 않는 경우를 비교예로 삼았으며, 그 경우 폴리실리콘 로드의 직경이 115mm일 때 도 1에 도시된 종래의 CVD 반응기에서는 전기에너지가 133kW 정도 소모 되었고 폴리실리콘 로드의 중심 온도는 1233℃까지 올라 갔다.
실시예 1: SiC가 코팅된 흑연 복사열 차단막을 지멘스 CVD 반응기 내의 로드 필라멘트와 냉각 기벽 사이에 위치시킨다. 5mm 두께의 그 복사열 차단막은 냉각 기벽의 표면은 전부 커버하나 기판 표면은 커버하지 않는다. 그 복사열 차단막을 냉각 기벽의 표면과 100mm의 간격을 두어 설치한다. SiC가 코팅된 흑연의 분광학적 표면 방사율은 1.0으로 간주하였다. 폴리실리콘 로드의 직경이 115mm일 때 그 CVD 반응기의 전체 전력 소모량은 101kW 이었고, 비교예에 비해 24%의 전기에너지 절감 효과가 있었다. 폴리실리콘 로드의 중심 온도는 1194℃이었는데 이는 비교예에 비해 39℃가 하락한 것이었다.
실시예 2: 펄라이트(Perlite)로 만든 복사열 차단막을 지멘스 CVD 반응기 내의 로드 필라멘트와 냉각 기벽 사이에 위치시킨다. 100mm 두께의 그 복사열 차단막은 벨형 냉각 기벽의 표면은 전부 커버하나 기판 표면은 커버하지 않는다. 그 복사열 차단막은 냉각 기벽으로부터 5mm 간격을 두고 설치한다. 펄라이트 의 분광학적 표면 방사율은 0.9이고 열전도도는 0.029W/mK이다. 폴리실리콘 로드의 직경이 115mm일 때 그 CVD 반응기의 전체 전력 소모량은 86kW였고, 비교예에 비해 약 35%의 절감 효과가 있었다. 폴리실리콘 로드의 중심 온도는 1178℃이었으며 비교예에 비해 55℃가 감소하였다.
실시예 3: 실리콘으로 만들어진 세 개의 복사열 차단막을 지멘스 CVD 반응기내의 로드 필라멘트와 냉각 기벽 사이에 설치하였다. 5mm 두께의 복사열 차단막들은 벨형의 냉각 기벽면 전부를 커버하지만 기판은 커버하지 않는다. 복사열 차단막 은 냉각 기벽 표면으로부터 5mm 간격을 두고 설치하였다. 실리콘의 분광학적 표면 방사율은 0.9이다. 폴리실리콘 로드의 직경 115mm일 때 그 CVD 반응기의 전체 전력 소모량은 52kW 이었고, 비교예에 비해 약 61%의 전기에너지 절감 효과가 발생하였다. 또한 폴리실리콘 로드의 중심 온도는 1145℃이었고 비교예의 경우 보다 88℃가 하락하였다.
위에서 언급한 효과들, 즉 고온 방사(>400℃)에 의한 열 차단효과, 다층 차단막 열차단 효과, 차단막 물질의 낮은 분광학적 표면 방사율에 의한 차단막 효과, 차단막 두께만큼 열전도 감소에 따른 단열 효과 등은 모두 폴리실리콘 로드(20)로부터 나오는 모든 에너지 손실을 감소시키는 것에 관한 부가적인 요인들이다. 본 발명자는 이들의 반-정량화된 효과들을 좀 더 구체적을 확인하기 위해, 복사열 차단막 재질의 분광학적 표면 방사율, 두께, 열전도도, 층수가 전기에너지 절감에 어느 정도의 영향을 주는지를 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 이 실험의 결과는 도 10의 그래프로 정리되어 있다. 복사열 차단막을 3개층으로 구성하는 경우 1층으로만 구성할 때에 비해 에너지 절감율은 약 6.4% 정도 더 좋아짐을 확인할 수 있었다. 복사열 차단막 재질의 분광학적 표면 방사율이 0.9에서 1.0로 높아지면 에너지 절감율은 약 1%정도 향상되는 것으로 확인되었다. 복사열 차단막의 두께를 1mm에서 10mm로 늘리면 에너지 절감율은 거의 2% 정도 높아졌다. 또한, 복사열 차단막을 열전도도가 '0.025W/m-k인 재질에서 35W/m-k인 재질로 바꾸면' 에너지 절감율은 거의 17%에 가깝게 높아졌다(참고로, 열전도도가 1.0W/m-k 이상인 임의의 물질로 된 복사열 차단막(두께는 10mm)은 1℃ 이하의 ΔT를 제공함). 실험에 의하면, 10mm 두께 의 복사열 차단막의 열전도도가 35W/m-k 이상인 경우 에너지 절감율이 1% 이하로 나타났다. 그러므로 열전도도가 35W/m-k 이하인 재질로 복사열 차단막을 만드는 것이 바람직할 것이다.
이상에서는 복사열 차단막이 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이에 설치하는 경우에 대해 설명하였는데, 복사열 차단막을 반응 챔버(25)의 바닥 즉, 기판(40)의 윗쪽에도 더 설치할 수도 있다. 그에 의해 기판(40)을 통한 반응 챔버(25) 내의 열 에너지 손실을 줄일 수 있어, 폴리실리콘 로드(32)의 알짜 에너지손실을 더 크게 감소시킬 수 있음은 물론이고 그에 따라 에너지 절감율을 더 높일 수 있고, 폴리실리콘 로드(32)의 방사방향의 온도 편차도 더 낮출 수 있다. 도 11과 12는 복사열 차단막을 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이뿐만 아니라 반응 챔버(25) 내의 바닥 즉, 기판(40) 위쪽과 폴리실리콘 로드(32) 사이에도 설치한 경우를 도시한다. 도면에 예시된 것처럼, 2겹의 복사열 차단막(420-1, 420-2)을 폴리실리콘 로드(32)와 냉각 기벽(30a) 사이에 냉각 기벽(30a)의 (외부에서 관찰창(비도시)을 통해 반응 챔버(25) 내부를 관찰할 수 있도록 하기 위해) 일부를 제외하고 모두 커버하도록 설치하고, 기판(40)의 상면에 대해서는 전극(39)과 로드 지지대(37), 그리고 가스 유입구(42)와 가스 배출구(44)를 제외한 나머지 영역을 거의 대부분 커버하도록 복사열 차단막(420-3, 420-4)을 설치할 수 있다. 전도에 의한 열손실을 최소화하기 위해, 복사열 차단막(420-3, 420-4)은 기판(40)이나 거기에 설치된 전극(39)과 로드 지지대(37), 그리고 가스 유입구(42)와 가스 배출구(44) 등과 직접 닿지 않는 형태로 설치하는 것이 바람직하다.
본 발명은 지멘스 CVD 반응기에 적용되어 반응기의 전기 에너지 소모를 절감함과 동시에 폴리실리콘 로드의 중심 온도를 낮추기 위한 목적으로 이용될 수 있다.
도 1은 종래의 대표적인 지멘스 CVD 반응기의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복사열 차단막이 CVD 반응기 내부의 냉각 기벽면 전체를 커버하도록 설치된 CVD 반응기의 구조를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에서 표시된 절단선 A-A를 따라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 복사열 차단막이 CVD 반응기 내부의 냉각 기벽면 일부를 커버하도록 설치된 CVD 반응기의 구조를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 다층으로 된 복사열 차단막이 CVD 반응기 내의 냉각 기벽면 일부를 커버하도록 설치된 CVD 반응기의 구조를 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5에 표시된 절단선 B-B를 따라 본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 3 겹의 복사열 차단막이 반응기의 내벽 전부 또는 일부를 커버하도록 설치된 CVD 반응기의 구조를 도시한 단면도이다.
도 8은 3층으로 구성된 복사열 차단막이 반응기 내부의 냉각 기벽 표면에 느슨하게 부가된 상태를 도시한 단면도이다.
도 9는 복사열 차단막의 내부 표면 온도와 에너지 절감율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 복사열 차단막의 특징 요소들과 에너지 절감율의 관계를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 복사열 차단막을 냉각 기벽과 반응 챔버의 바닥을 커버하도록 설치된 CVD 반응기의 구조를 도시한 단면도이다.
도 12는 도 11에 표시된 절단선 C-C를 따라 본 평면도이다.

Claims (26)

  1. 냉각 기벽을 갖는 한 개 이상의 반응 챔버를 포함하는 반응 용기;
    상기 반응 챔버 안으로 연장된 복수의 전극;
    상기 반응 챔버 내에서 양 단부가 상기 복수의 전극 중 서로 다른 두 전극에 연결되며, 상기 두 전극을 통해 자신에 전류가 흐를 때 고온으로 가열되는 적어도 한 개의 로드 필라멘트;
    상기 반응 용기의 내부까지 연결되어, 실리콘 함유 원료가스를 상기 반응 챔버 안으로 공급하여 화학기상증착(CVD) 반응에 의해 가열된 상기 로드 필라멘트 표면에 폴리실리콘을 증착시켜 폴리실리콘 로드를 생산하도록 하는 실리콘 함유 가스원; 및
    고온 가열되는 상기 로드 필라멘트와 상기 냉각 기벽 사이 및 상기 로드 필라멘트와 상기 반응 챔버의 바닥 사이 중 적어도 어느 하나에 위치하여 상기 폴리실리콘 로드에서 방사된 복사열 에너지의 상기 냉각 기벽 및 상기 반응 챔버의 바닥 중 적어도 어느 하나로의 열전달을 차단하는 복사열 차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은, 상기 CVD 반응 중에, 온도가 400℃ 이상으로 유지되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 k/τ값이 3,000 와트/켈빈(Watt/Kelvin) 이하인 조건을 만족하는 두께와 열전도도를 갖도록 만들어지며, 여기서 k 는 상기 복사열 차단막의 재질의 열전도도이고, τ는 상기 복사열 차단막의 두께인 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 실리콘 함유 원료가스는 모노실란, 디실란, 염화실란 그리고 이들 가스의 혼합물로 구성되는 그룹 중에서 선택되는 실란 가스의 소스인 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은, 실리콘, 흑연, 실리콘 카바이드, 실리콘 카바이드가 코팅된 물질, 질화규소(실리콘 질화물), 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 질화 붕소, 몰리브덴이나 몰리브덴 기반으로 된 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 기반으로 된 합금, 탄탈륨 또는 탄탈륨 기반으로 된 합금, 실리카 기트반으로 된 다공성 물질, 알루미노실리케이트 기반으로 된 다공성 물질, 금이 코팅된 다공성 물질, 금이 코팅된 물질, 백금이 코팅된 다공성 물질, 백금이 코팅된 물질, 실리카가 코팅된 다공성 물질, 실리카가 코팅된 물질, 은이 코팅된 다공성 물질, 은이 코팅된 물질, 그리고 펄라이트로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 한 가지 또는 이들 중 적어도 두 가지를 조합한 것으로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽에 대해서는 상기 로드 필라멘트를 포위하면서 상기 냉각 기벽 표면의 적어도 일부를 커버하고, 상기 반응 챔버의 바닥에 대해서는 그 바닥면의 적어도 일부를 커버하도록 설치된 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 복수 개의 복사열 차단막을 포함하며, 상기 복수 개의 복사열 차단막은 상기 로드 필라멘트에서 상기 냉각 기벽 쪽으로 볼 때 a) 2겹 이상의 다중 겹 구조로 중첩 배치되거나 또는 b) 단겹 구조로 서로 간에 이격 배치되거나 또는 c) 상기 다중 겹 구조의 중첩 배치와 상기 단겹 구조의 이격 배치가 혼용된 형태로 배치로 된 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 복수 개의 복사열 차단막들을 적층하되 그들의 층간에 다수의 공간(multiple gaps)이 존재하도록 느슨하게 겹쳐져 있는 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은, 상기 CVD 반응 중에, 자신의 표면 중 가열된 상기 폴리실리콘 로드와 마주보는 쪽의 표면 온도가 400℃ 이상 유지되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 사이에 적어도 열전도 저항으로 작용할 수 있는 최소한의 미세 갭(빈 공간)이 존재하도록 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽의 표면에 느슨하게 접촉되어 상기 냉각 기벽과의 사이에 다수의 갭(빈 공간)이 존재하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 열전도도가 35W/m-k 이하인 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  13. 제3항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 열전달 전도도에 대한 갭 저항(gap resistance)이 없을 정도로 상기 냉각 기벽에 밀접하게 압착되어 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 고온 방사(>400℃)에 의한 열 차단효과, 다층 차단막 열차단 효과, 차단막 물질의 낮은 분광학적 표면 방사율에 의한 차단막 효과, 차단막 두께만큼 열전도 감소에 따른 단열 효과 중 적어도 어느 하나의 효과에 의해 상기 폴리실리콘 로드로부터 나오는 열에너지 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 0.05 ~ 1.0 의 분광학적 표면 방사율을 갖는 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  16. 기판(base plate)과 이 기판 위를 덮는 냉각 기벽에 의해 반응 챔버를 형성하는 반응 용기;
    상기 반응 용기 외부에서 상기 기판을 통해 상기 반응 챔버 안으로 연장되어 그 말단에 복수의 전극이 마련된 전기 급전부;
    상기 반응 챔버 내에서 상기 전기 급전부의 상기 복수의 전극 중 서로 다른 두 전극에 양 단부가 연결되어 폐회로를 형성하고, 상기 전기 급전부를 통해 자신에게 흐르는 전류에 의해 고온으로 가열되는 적어도 한 개의 로드 필라멘트;
    외부에서 상기 반응 챔버까지 연결된 가스 유입관과 가스 유출관을 통해 실리콘 함유 원료가스를 상기 반응 챔버 안으로 공급하여 화학기상증착(CVD) 반응에 의해 가열된 상기 로드 필라멘트 표면에 폴리실리콘을 증착시켜 폴리실리콘 로드를 생산하도록 하는 실리콘 함유 가스원; 및
    고온 가열되는 상기 로드 필라멘트와 상기 냉각 기벽 사이 및 상기 로드 필라멘트와 상기 반응 챔버의 바닥(상기 기판) 사이 중 적어도 어느 하나에 위치하여 상기 냉각 기벽과 상기 반응 챔버의 바닥 중 적어도 어느 하나의 적어도 일부를 커버 하며, 상기 CVD 반응 중에 상기 폴리실리콘 로드에서 방사된 복사열을 흡수하여 자신의 온도가 400℃ 이상으로 유지되면서 그 흡수열의 일부를 상기 폴리실리콘 로드 쪽으로 재방사함으로써 상기 폴리실리콘 로드의 열에너지 손실을 줄여주기 위한 복사열 차단막을 구비하는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 k/τ값이 3,000와트/켈빈(Watt/Kelvin) 이하인 조건을 만족하는 두께와 열전도도를 갖도록 만들어지며, 여기서 k 는 상기 복사열 차단막의 재질의 열전도도이고, τ는 상기 복사열 차단막의 두께인 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  18. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은, 실리콘, 흑연, 실리콘 카바이드, 실리콘 카바이드가 코팅된 물질, 질화규소(실리콘 질화물), 실리콘 산화물, 알루미늄 산화물, 질화 붕소, 몰리브덴이나 몰리브덴 기반으로 된 합금, 텅스텐 또는 텅스텐 기반으로 된 합금, 탄탈륨 또는 탄탈륨 기반으로 된 합금, 실리카 기트반으로 된 다공성 물질, 알루미노실리케이트 기반으로 된 다공성 물질, 금이 코팅된 다공성 물질, 금이 코팅된 물질, 백금이 코팅된 다공성 물질, 백금이 코팅된 물질, 실리카가 코팅된 다공성 물질, 실리카가 코팅된 물질, 은이 코팅된 다공성 물질, 은이 코팅된 물질, 그리고 펄라이트로 이루어지는 그룹 중에서 선택된 어느 한 가지 또는 이들 중 적어도 두 가지를 조합한 것으로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  19. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 복수 개의 복사열 차단막을 포함하며, 상기 복수 개의 복사열 차단막은 상기 로드 필라멘트에서 상기 냉각 기벽 쪽으 로 볼 때 a) 2겹 이상의 다중 겹 구조로 중첩 배치되거나 또는 b) 단겹 구조로 서로 간에 이격 배치되거나 또는 c) 상기 다중 겹 구조의 중첩 배치와 상기 단겹 구조의 이격 배치가 혼용된 형태로 배치로 된 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  20. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 복수 개의 복사열 차단막들을 적층하되 그들의 층간에 다수의 공간(multiple gaps)이 존재하도록 느슨하게 겹쳐져 있는 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  21. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 사이에 적어도 열전도 저항으로 작용할 수 있는 최소한의 미세 갭(빈 공간)이 존재하도록 이격 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  22. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽의 표면에 느슨하게 접촉되어 상기 냉각 기벽과의 사이에 다수의 갭(빈 공간)이 존재하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  23. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 열전도도가 35W/m-k 이하인 재질로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  24. 제17항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 상기 냉각 기벽과의 열전달 전도도 에 대한 갭 저항(gap resistance)이 없을 정도로 상기 냉각 기벽에 밀접하게 압착되어 설치되는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  25. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 고온 방사(>400℃)에 의한 열 차단효과, 다층 차단막 열차단 효과, 차단막 물질의 낮은 분광학적 표면 방사율에 의한 차단막 효과, 차단막 두께만큼 열전도 감소에 따른 단열 효과 중 적어도 어느 하나의 효과에 의해 상기 폴리실리콘 로드로부터 나오는 열에너지 손실을 감소시키는 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
  26. 제16항에 있어서, 상기 복사열 차단막은 0.05 ~ 1.0 의 분광학적 표면 방사율을 갖는 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 CVD 반응기.
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