KR20120022667A - 다결정 실리콘의 제조 방법 - Google Patents

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KR20120022667A
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마르쿠스 셰퍼
올리버 크래츠쉔마르
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와커 헤미 아게
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Abstract

본 발명은 다결정 실리콘의 제조 방법을 제공한다. 이 방법은, 실리콘-함유 성분 및 수소를 포함하는 반응 개스를 하나 이상의 노즐에 의해 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 상기 반응기는 실리콘이 증착되는 하나 이상의 가열되는 필라멘트 봉을 포함하며, 반응기의 공부피(empty volume)에 대한 봉의 부피의 비(백분율)를 의미하는 충전 수준(fill level: FL)의 함수로서 반응기내 유동조건(flow condition)을 나타내는 아르키메데스 수(Archimedes number: Arn)가, 충전 수준 FL이 5% 이하인 경우에는 함수 Ar　=　2000　x　FL-0.6 에 의한 하한값과 함수 Ar　=　17　000　x　FL-0.9에 의한 상한값으로 정해지는 범위 내이며, 충전 수준 FL이 5% 보다 큰 경우에는 750 내지 4000이다.

Description

다결정 실리콘의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCTION OF POLYCRYSTALLINE SILICON}
본 발명은 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.
다결정 실리콘(간단히 폴리실리콘이라 함)은 도가니 인상방법(Czochralski 또는 CZ 공정) 또는 대역 용융 공정(zone melting process)에 의한 단결정 실리콘의 제조 공정에서 출발 물질로서 작용한다. 단결정 실리콘은 웨이퍼로 분리되고, 여러 가지 기계적, 화학적 및 화학기계적 처리 공정을 거친 후, 전자 부품(칩)의 제조를 위해 반도체 산업에서 사용된다.
그러나, 보다 상세하게는, 다결정 실리콘은 인상 또는 주조 공정에 의한 단결정 또는 다결정 실리콘의 제조를 위해 다량으로 필요하며, 이러한 단결정 또는 다결정 실리콘은 광전 소자용의 태양 전지의 제조를 위해 사용된다.
다결정 실리콘은 전형적으로는 지멘스 공정(Siemens process)에 의해 제조된다. 이 공정에서, 얇은 필라멘트 봉(얇은 봉)은 벨-형 반응기(지멘스 반응기)에 전류를 직접 통과시킴으로써 가열되며, 실리콘-함유 성분 및 수소를 포함하는 반응 개스가 주입된다.
반응 개스 중의 실리콘-함유 성분은 일반적으로 일반식 SiHnX4-n (n = 0, 1, 2, 3; X = Cl, Br, I)의 모노실란 또는 할로실란이다. 바람직하기로는, 클로로실란, 클로로실란 혼합물, 더욱 바람직하기로는 트리클로로실란이다. 주로 SiH4 또는 SiHCl3가 수소와의 혼합물로 사용된다.
EP　2　077　252　A2 는 폴리실리콘의 제조에 사용되는 반응기의 전형적인 구조에 대해 개시하고 있다.
반응기 베이스는 전극을 구비하고 있으며, 이 전극에는 얇은 봉이 수납되어 있고, 성장 공정 동안에 실리콘이 얇은 봉에 증착됨에 따라 폴리실리콘으로 만들어진 원하는 봉으로 성장하게 된다. 일반적으로, 각각의 경우에, 두 개의 얇은 봉이 브릿지에 의해 연결되어 한쌍의 얇은 봉이 만들어지고, 이것이 전극과 외부 소자를 통해 회로를 형성하게 되고, 쌍을 이룬 봉들을 특정 온도로 가열하는 작용을 한다.
봉의 온도는 일반적으로 수직 봉의 표면에서 방사선 고온계(radiation pyrometer)에 의해 측정된다.
봉의 온도는 일반적으로 전력을 고정방식으로 또는 봉의 직경의 함수로서 제어함으로써 설정된다.
또한, 반응기 베이스는 추가로 반응기에 신선한 개스를 공급하는 노즐을 구비한다. 방출 개스는 구멍을 통해 반응기 챔버로부터 이송된다.
공급되는 반응 개스의 양은 일반적으로 봉의 직경의 함수로서 달라지는데, 즉 일반적으로 봉의 직경이 커지면 공급되는 반응 개스의 양도 증가된다.
가열된 봉과 브릿지에 고순도 폴리실리콘이 증착되고, 시간이 경과함에 따라 봉의 직경이 성장한다(CVD = Chemical vapor deposition/gas phase deposition).
증착 공정이 종료된 후, 생성된 폴리실리콘 봉은, FZ(Float Zone) 공정에 의한 단결정 제조용으로 사용되지 않는 한, 럼프(lumps) 및 칩으로 가공되어야 한다.
후자의 경우에, 폴리실리콘 봉이 대역 용융법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는데 사용되며, 단결정 실리콘 잉곳은 후속 단계에서 추가로 가공되어 실리콘 웨이퍼로 만들어진다.
CZ 공정 또는 태양 전지용 실리콘 청크(chunk)를 제조하기 위해, 봉은 기계적으로 해머, 분쇄기 또는 밀(mill)과 같은 공구에 의해 분쇄된 다음 크기별로 분류된다. 실리콘 조각의 크기는 약 1 mm 내지 150 mm 또는 그 이상까지 다양하다. 실리콘 조각의 형태는 일반적으로 구형에서 크게 벗어나지는 않는다.
지멘스 공정을 토대로 하는 폴리실리콘 증착 공정으로서 공지된 모든 방법들은 달성되는 생성물의 품질이 좋지 않으며, 제조 공정의 경제성이 떨어진다.
생성물의 품질에 관한 단점은 특히 봉의 직경에 있어서 축방향으로 변동이 관찰되는 경우가 흔하며, 어떤 경우에는 봉의 표면 특성이 불량하다.
상기 공정들은 상승된 수준의 에너지를 필요로 하는 경우가 흔하다.
어떤 경우에는 봉이 반응기 안에서 넘어진다.
일부 공정에서는 실리콘 분진이 형성되기도 한다.
일부 공정에서는, 과열이 일어나고, 최악의 경우에는 실리콘 캐리어 본체(봉 및 브릿지)의 용융도 발생된다.
DE 29 12 661 A1에서는 다결정 실리콘의 제조 방법에 대해 개시하고 있는데, 이 방법에서는 특수한 노즐(two-zet 노즐)에 의해 반응기 챔버로 부분적인 액상 트리클로로실란이 주입된다. 이는, 반응 개스 중의 트리클로로실란의 비율을 증가시키 위한 것이며, 궁극적으로는 생산성을 증가시키기 위한 것이다. 그러나, 비에너지 소비(specific energy consumption)가 너무 높은 것으로 나타났다.
EP 2 077 252 A2에서는, 공정 기술의 관점에서, 증착 공정 동안에 반응 개스 공급을 위한 노즐을 ON/OFF 스윗칭하는 것이 유리한 것으로 기재되어 있다. 이를 위해, 닫힌 노즐의 비율을 공정 시간 또는 봉의 직경의 함수로서 조절한다.
이러한 방법의 목적은, 봉의 직경이 성장함에 따라, 모든 봉의 최적 개스 공급을 특히 더 높은 수준의 범위 내로 보장하기 위한 것이다.
EP 2 067 744 A2는 다결정 실리콘의 제조 방법을 개시하고 있는데, 이 방법에서는 첫 번째 안정화 단계 후 실리콘 증착을 위한 반응 개스의 유입 속도를 처음에는 크게 증가시키고, 그 다음에는 얇은 봉에 대한 반응 개스의 공급을 증가시키기 위해 좀 더 늦추고, 성장 단계에서는 효율적인 증착을 위해 저감시킨다. 반응 개스의 공급만을 조절함으로써, 반응기에 대한 변형은 전혀 필요하지 않다는 것을 강조하고 있다.
그러나, EP 2 077 252 A2 및 EP 2 067 744 A2에 개시된 공정들에 의하면 반응기에서 넘어지는 봉의 수가 증가되는 것으로 나타났다. 이는 아마도 반응 개스의 유입 속도의 갑작스러운 변화와 관련이 있는 것으로 보인다.
사용되는 얇은 봉의 길이는 수 미터(통상 2-3 m)일 수 있다. 봉이 넘어지는 경우, 인접하는 다른 봉을 건드릴 수도 있다.
이는 상당한 경제적인 손실을 야기하며, 이런 식으로 오염된 실리콘 봉을 복잡한 방식으로 세정해야 하는 경우에 특히 그러하고, 봉이 넘어질 때 반응기가 손상되는 경우에는 더욱 그러하다.
증착 공정이 완료되기 전에 이러한 경우가 발생하면, 넘어진 봉을 복구하기 위해 증착 공정을 즉시 중단시켜야 한다. 이는 해당 플랜트의 경제성에 직접적인 영향을 미친다. 반응기에 봉이 많이 있을수록 경제적인 손실은 커진다. 한편, 정상적인 작동시에 높은 경제성은 반응기 내 많은 수의 봉과 직접 연관된다.
EP 2 067 744 A2에 개시된 공정의 또 다른 단점은, 봉의 전장에 걸쳐 일정한 구조 또는 형태를 달성하는 것과 동시에 충분히 높은 증착 속도를 달성하는 것이 확실히 불가능하다는 것이다.
증착 공정 동안 실리콘 봉의 구조는 이상적으로는 커지는 반경의 실린더에 대응한다. 이러한 실린더 형태에서 일탈하면 공정에 혼란이 야기될 수 있다. 가장 좋지 않은 경우에는, 봉들이 함께 융합될 수 있고 증착 공정이 중단될 수 있다. 상기 언급한 일탈의 예를 들면, 형태가 하방으로 좁아지는 원추형인 경우에는 중량의 분포가 불리하게 됨에 따라 봉이 넘어지게 될 위험성이 증가한다.
후에 FZ 공정에 사용될 폴리실리콘에 대한 요건이 특히 엄격하다. 사용 전에, 봉을 공칭 직경을 가진 구형으로 분쇄(grinding)해야 한다. 타겟 직경을 조금이라도 초과한다는 것은, 구형 분쇄 과정에서 제거되는 물질의 양이 증가된다는 것이며, 따라서 귀중한 실리콘이 손실된다는 것을 의미한다. 반면, 직경이 타겟 직경보다 작으면, 사용되는 봉의 길이가 감소되므로, 타겟 생성물의 경제성이 악화된다는 것을 의미한다.
폴리실리콘 봉은 길이 및 직경 뿐만 아니라 추가적인 파라미터에 의해서도 설명될 수 있다: 봉의 표면의 성질은 다를 수 있다. 봉은 콜리플라워와 같은 표면을 가질 수 있다. 그러나 봉은 또한 거의 평탄한 표면을 가질 수도 있다. 봉의 표면의 전체적인 성질은 이하 "형태(morphology)"라는 용어로 언급될 것이다.
기본적으로 높은 평균증착속도(mean deposition rate)는 높은 생산성을 얻기 위해서는 필수적으로 중요하며, 따라서 공정의 경제성을 얻기 위해서도 중요하다. 그러므로, 증착속도를 가능한 한 최대화시키기 위한 노력이 경주되어 왔다. 그러나, 높은 증착속도는 통상적으로 예를 들어 형태에 악영향을 미치는 공정 조건을 필요로 한다.
DE 102 007 047 210 A1은 유리한 굽힘 강도(flexural strength)를 가진 폴리실리콘 봉을 만드는 방법을 개시하고 있다. 또한, 이 공정에서 비에너지 소비는 특히 낮다. 공정 기술 관점에서, 클로로실란 혼합물의 유속의 최대값은 30 시간 이내, 바람직하기로는 5시간 이내에 달성되며, 브릿지의 하면의 온도는 1300℃ 내지 1413℃이다.
그러나, 문제는 브릿지의 내부의 온도가 DE 102 007 047 210 A1에 따른 1300℃ 내지 1413℃로 유지되는 브릿지 표면의 온도보다 높을 수 있다는 것이다.
온도는 봉과 브릿지에서 전류에 의해 조절된다. 개스 유입에 의한 브릿지 표면의 냉각의 경우에 온도가 유지될 수 있도록 하기 위해서는, 전류가 증가되어야 한다.
실리콘과 같은 반도체들은 온도가 높아질수록 전기 저항이 저하되는 성질을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
가열된 봉의 내부의 온도가 반응 개스에 의해 냉각되는 그 표면의 온도보다 높기 때문에 봉의 내부와 브릿지의 전기 저항이 낮아진다. 그러므로, 브릿지 내부의 전류는 높아진다. 반응 개스에 의한 브릿지 표면의 극심한 냉각으로 인해 열 유동이 높아지는 제한된 경우에, 브릿지 내부의 온도가 실리콘의 융점(1413℃)보다 높아질 수 있다. 이로 인해 브릿지 누출(bridge leakage)을 초래할 수 있으며, 이는 불가피하게 증착 공정의 중단을 초래한다.
DE 10 2007 047 210 A1은 브릿지 누출의 가능성이 크게 증가되는 공정을 개시하고 있다.
이것은 브릿지 온도를 저하시키는 것에 의해서만 방지될 수 있지만, 이는 다시 비교적 높은 증착 속도와 개선된 에너지 효율이라는 장점을 무력화시키게 될 것이다.
DE 10 2007 023 041 A1은 폴리실리콘, 특히 FZ 실리콘의 제조를 위한 또 다른 방법을 개시하고 있다. 그 방법에 따르면, 봉의 직경이 30 mm가 될 때 까지는, 950 내지 1090℃의 봉 온도, 반응 개스 중의 클로로실란 비율을 특정 값으로 유지하고, 늦어도 봉 직경이 120 mm에 도달한 후에는, 봉의 온도를 930 내지 1030℃로 전환하고 반응 개스 중의 클로로실란의 비율을 증가시킨다. 증착 기간 전체에 걸쳐 성장 조건의 급격한 변화는 없어야 한다.
FZ 실리콘의 제조를 위해 사용되는 폴리실리콘 봉은 증착 후 전형적으로는 기계적인 가공 수단에 의해 원하는 직경으로 만들어진다. 실리콘의 손실을 최소화시키기 위해, 생성되는 모든 봉이 전체 길이에 걸쳐 동일한 직경을 가져야 한다. 또한, 봉의 단면은 전체 길이에 걸쳐 원형이어야 한다.
그러나, DE 10 2007 023 041 A1에 따라 제조되는 폴리실리콘 봉은 결정의 길의의 함수로서 직경이 충분히 일정하지는 않은 구조를 나타낸다. 직경은 결정의 길이에 따라 다르며, 이는 기계적인 가공 후 공칭 직경을 얻기 위해서는 한쪽의 물질이 더 많이 제거되어야 하는 결과를 초래한다. 이는 공정의 경제성을 떨어뜨린다.
실리콘-함유 개스가 봉의 표면에 증착되지 않고 (불균일 증착), 그 대신 반응하여 자유 부피의 실리콘을 생성(균일 증착)하는 경우를 분진 증착(dust deposition)이라고 한다.
형성된 분진은 먼저 증착 공정의 종료 시점에서 반응기의 베이스에서 발견되는데, 후속 단계에서 처분되어야 한다.
두 번째로, 분진은 방출 개스와 함께 방출 개스 처리부로 이송되어, 문제를 야기할 수 있다.
심각한 분진 증착은 증착 공정을 중단시킬 수 있고, 이는 경제성을 떨어뜨린다.
또한, 그것은 공업 시설에 상당한 문제를 야기하며, 이와 관련하여 추가의 비용과 불편을 초래한다.
불행하게도, 특히 높은 증착 속도를 이용하는 특별한 증착 공정은 일부 경우에 분진 증착을 증가하는 것으로 밝혀지고 있다.
결론적으로, 지금까지의 종래 기술로는 폴리실리콘의 증착 공정에서 중요한 여러 가지 측면을 조화시키는 것이 불가능했다.
본 발명의 목적은 전술한 문제를 해소하기 위한 것이다.
본 발명의 전술한 목적은 본 발명의 다결정 실리콘의 제조 방법에 의해 달성되는데, 상기 방법은, 실리콘-함유 성분 및 수소를 포함하는 반응 개스를 하나 이상의 노즐에 의해 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 상기 반응기는 실리콘이 증착되는 하나 이상의 가열되는 필라멘트 봉을 포함하며, 반응기의 공부피(empty volume)에 대한 봉의 부피의 비(백분율)를 의미하는 충전 수준(fill level: FL)의 함수로서 반응기내 유동 조건을 나타내는 아르키메데스 수(Archimedes number: Arn)가 5%까지의 충전 수준 FL에 대해서는 함수 Ar　=　2000　x　FL-0.6 에 의한 하한값과 함수 Ar　=　17　000　x　FL-0.9에 의한 상한값으로 정해지는 범위 내이며, 충전 수준 FL이 5% 보다 큰 경우에는 750 내지 4000인 것을 특징으로 한다.
공정의 성공을 위해서는, 강제 대류(forced convection)에 대한 자유 대류(free convection)의 비로서 반응기 내 유동 조건을 의미하는 아르키메데스 수가 정해진 범위 내에 존재하도록 공정을 수행하는 것이 필수적이다. 이 범위는 전체 공정 기간에 대해 정해진다.
이러한 목적을 위해, 아르키메데스 수는 반응기의 충전 수준의 함수로서 보고되어 있다.
반응기의 충전 수준은 반응기의 공부피에 대한 봉의 부피의 비(백분율)를 의미한다. 반응기의 공부피는 일정하다.
그러므로 공정 기간이 증가하면 봉의 부피가 증가하기 때문에 충전 수준이 증가한다.
상기 공정과 아르키메데스 수에 대한 본 발명의 범위는 반응기의 크기와 관계 없다. 그러므로 상기 공정은 작은 반응기와 큰 반응기 모두에 대해 적절하게 적용된다.
마찬가지로, 상기 공정은 반응기에 존재하는, 실리콘이 증착되는 필라멘트 봉의 수 및 길이와는 관계 없다.
아르키메데스 수에 의한 용기 내 유동 조건에 대한 일반적인 설명은 엔지니어링 열역학 텍스트북(예: Dittmann/Fischer/Huhn/Klinger, "Repetitorium der technischen Thermodynamik" [Refresher in Engineering Thermodynamics], Teubner Verlag (1995))에 공지되어 있다.
아르키메데스 수는 또한 "리차드슨 수(Richardson number)로도 알려져 있다.
다결정 실리콘의 증착을 위한 지멘스 반응기에 대해서는 아르키메데스 수와 관련하여 아직 아무런 평가가 이루어져 있지 않다.
실리콘의 증착에 사용되는 지멘스 반응기는 소정의 부피(공부피)를 가진 용기로서 간주될 수 있는데, 상기 부피는 특정 온도 Twall를 가진 벽에 의해 한정된다. 또한, 이 공간은 실리콘의 증착 결과 시간이 경과함에 따라 성장하며 특정 온도 Trod를 가진 봉을 수납한다.
개스는 갸열된 봉에서 가열되어 상방으로 올라간다. 벽에서 개스가 다시 냉각되고 하방으로 내려온다. 이 과정을 개스의 자유 대류라고 한다.
또한, 반응 개스(수소 및 실리콘을 함유하는 개스로서, 예를 들어 트리클로로실란과 디클로로실란의 혼합물)는 일반적으로 베이스에 장착된 노즐에 의해 정해진 유입 속도로 이 공간으로 능동적으로 유입된다. 이것이 강제 대류를 야기한다.
동시에 방출 개스가 용기로부터 방출되고 용기 내 압력이 전형적으로는 일정하게 유지된다.
자유 대류는 부력에 기인하고, 강제 대류는 관성력에 기인한다. 이러한 2개의 유동력의 상호 작용이 외관상으로는 복잡한 유동 조건과 반응기 내 증착에 대한 그 효과를 지배하는 것으로 나타났다. 그러므로, 관성력에 대한 부력의 비로서 정의되는 아르키메데스 수가 유동 조건을 특성화하는 데 적합하다.
지멘스 반응기에서 봉에 대한 아르키메데스 수의 구체적인 유도 방법에 대해서는 여기서는 다시 설명하지 않기로 한다.
그 결과는 다음 관계식으로 표시된다:
Ar = Π * g * L3 * Ad * (Trod - Twall) / (2 * Q2 * (Trod + Twall))
상기 식에서, g는 중력으로 인한 가속도이고 그 단위는 m/s2이며, L은 필라멘트 봉의 길이이고 그 단위는 m이며, Q는 작동 조건(p, T) 하에서 개스의 체적 유량(volume flow)이며, 그 단위는 m3/s이고, Ad는 모든 노즐의 단면적의 합이며, 그 단위는 m2이고, Trod는 봉의 온도이고 그 단위는 K이며, Twall은 벽의 온도이고 그 단위는 K이다.
필라멘트 봉의 길이는 증착 기간 동안에, 예를 들어 L = 3m와 같이 반드시 일정하게 유지된다.
반응기가 반응 개스의 주입을 위해 동일 또는 상이한 단면을 가진 하나 이상의 노즐을 포함하는 경우, 모든 노즐의 단면적의 합 Ad(단위: m2)을 고려한다. 하나 또는 그 이상의 노즐의 단면적은 시간이 경과함에 따라 달라질 수도 있다.
모든 단면적의 합 Ad는 바람직하기로는 5　x 10-5　m2 내지 약 1 x 10-2　m2 이다.
봉의 온도는 바람직하기로는 1150 K 내지 1600 K 이다.
벽의 온도는 바람직하기로는 300 K 내지 700 K 이다.
체적 유량은 바람직하기로는 작동 조건하에서 0.001　m3/s 내지 0.5　m3/s 이다.
하나의 반응기에 여러 개의 필라멘트 봉이 들어 있는 경우에는, 아르키메데스 수는 이들 봉의 수 n에 대한 합으로서 결정된다. 그 결과는 Arn 이다.
그 식은 다음과 같다:
Arn = n * Ar
그러나, 본 발명에 따른 공정은 이미 앞서 언급한 바와 같이 반응기 내의 봉의 수와 관계가 없다.
본 발명자들은, 반응기 내 봉의 수를 두 배로 할 때 반응 개스의 체적 유량을 단순히 두배로 한다고 해도 성공적인 결과가 얻어지지 않는다는 것을 알게 되었는데, 그 이유는 그러한 공정이 충전 수준에 대한 아르키메데스 수의 의존성을 보여주고 있기 때문인데, 그 수는 본 발명의 경우의 범위보다 낮다. 상기 공정은 또한 증가된 비에너지 소비와 넘어지는 봉의 비율이 증가되는 것을 보여준다. 반면, 예를 들어, 노즐 구조가 조절되면, 넘어지는 봉의 비율이 낮아지고 비에너지 소비가 낮아질 수 있다. 봉의 수를 두 배로 증가시키는 경우에 최적 공정은 다시 본 발명에 따른 공정에서 청구된 유동 조건에 대응하는 유동 조건을 필요로 한다.
아르키메데스 수가, 5%까지의 충전 수준 FL에 대해서는 함수 Ar　=　2000　x　FL-0.6 에 의한 하한값과 함수 Ar　=　17　000　x　FL-0.9에 의한 상한값으로 정해지는 범위 내이고, 충전 수준 FL이 5% 보다 큰 경우에는 750 내지 4000의 범위 내인 모든 공정의 경우에, 다음과 같은 유리한 기술적인 효과가 동시적으로 및 반복적으로 발생한다.
종래 기술과 동일하거나 또는 종래 기술보다 높은 평균 증착 속도에서는 분진 증착이 거의 관찰되지 않는다.
본 발명에 따른 공정이 수행될 때, 봉 및/또는 브릿지의 누출이 발생하지 않는다.
본 발명의 명세서에 있어서, 봉의 온도는 수직 봉의 표면, 바람직하기로는 반응기의 외벽에 가장 가까운 봉의 측면에서, 봉의 높이의 중간 지점에서 방사선 고온계에 의해 측정된다. 따라서, 표면 온도는 봉의 중간 지점에서 조절된다. 그러므로, 전체 반응기에 대한 최적 유동 조건과 관련하여, 브릿지의 누출이 방지된다.
본 발명의 방법에 따르면, 넘어지는 봉의 비율은 종래 기술에서 알려진 공정의 경우에 비해 훨씬 낮은 것으로 나타났다.
본 발명의 방법에 의해 제조되는 모든 다결정 봉은 종래 기술과 바교하여 봉의 길이에 걸쳐 직경의 편차가 작다.
또한, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 실리콘 봉의 형태는 봉 상의 축 위치와 무관하고, 증착 설비 내 봉의 위치와도 무관하며, 즉 위치에 관계 없이 모든 봉이 유리한 형태를 가지고 있는 것으로 나타났다.
도 1은 3개의 실시예와 하나의 비교 실시예에서, 충전 수준의 함수로서 본 발명에 따른 아르키메데스 수의 범위를 나타내는 도면이다.
본 발명은 이하 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 충전 수준의 함수로서 아르키메데스 수의 바람직한 범위를 나타낸다. 곡선이 이중-로그 형태(double-logarithmic form)로 나타나 있다.
본 발명의 범위는 아르키메데스 수의 최대 및 최소 프로파일을 보여주는 라인 5와 6으로 나타나 있다. FL = 5% 까지는, 이들 라인은 지수 함수를 나타낸다.
FL = 5% 이하에서는, 두 개의 곡선 5와 6의 기울기는 이중-로그 그래프에서 서로 상이하다. 따라서, 두 개의 지수 함수는 상이한 지수를 가진다.
FL = 5% 이하에서 단일 공정에 대한 곡선은 FL > 5%의 경우의 아르키메데스 수에 대해 허용되는 범위를 벗어나지 않도록 하는 범위에 있어야 하는 것으로 나타나고 있다.
시험된 모든 공정에서, 적어도 FL = 5% 까지는, 프로파일이 하강하는 양상을 나타내며, 그보다 높은 충전 수준에서는 상이한 양상으로 나타난다.
곡선 1, 2 및 3은 아르키메데스 수에 대한 3개의 전형적인 프로파일을 보여준다. 곡선 1, 2 및 3은 실시예 1-3을 참조하여 다시 상세히 설명될 것이다.
곡선 1 및 2에서, 아르키메데스 수가 처음에는 계속 감소한다. 이는 곡선 2의 경우에는 적어도 5%의 충전 수준까지 그러하지만, 더 높은 충전 수준, 예를 들어 곡선 1에서는 약 10%의 충전 수준까지도 지속될 수 있다.
곡선 1에서, 아르키메데스 수는 그 이후 일정하다.
곡선 2에서는 전혀 다른 프로파일이 나타난다. 아르키메데스 수는 FL = 5%부터 다시 상승한다. 도 1에서는, 이중-로그 그래프가 선택되었기 때문에 이것은 다시 지수 함수를 나타낸다.
곡선 3에서, 아르키메데스 수는 약 7%의 충전 수준까지는 감소한다. 충전 수준이 약 4%와 약 7%의 사이인 경우에, 아르키메데스 수는 충전 수준이 약 4% 보다 낮은 때에 비해 더 크게 떨어진다. 그러므로, 약 4%의 충전 수준까지는 아르키메데스 수의 프로파일은 지수 x1의 지수 함수이고, 마찬가지로 약 4%와 약 7% 사이의 아르키메데스 수의 프로파일은 지수 x2의 지수 함수인데, 이때 x2 < x1 이다. 충전 수준이 약 7% 보다 커지면, 아르키메데스 수는 일정해진다.
그러므로, 아르키메데스 수의 프로파일은 충전 수준의 함수로서 매우 상이할 수 있다. 아르키메데스 수는 처음에는 감소된 다음 실질적으로 일정하거나 또는 다시 상승할 수도 있다.
본 발명에서는 아르키메데스 수가 임의의 충전 수준에 대해 곡선 5 및 6에 의해 정해지는 범위를 벗어나지 않아야 한다.
본 발명자들은 아르키메데스 수가 전술한 범위를 벗어나는 모든 공정들이 종래 기술에서 이미 알려진 바와 같은 상당한 문제점들과 관련되어 있다는 것을 알게 되었다.
비교 실시예
곡선 4는 EP 2 067 744 A2에 의해 공지된 공정에 대한, 충전 수준의 함수로서의 아르키메데스 수를 나타낸다.
아르키메데스 수의 측정에 필요하지만 본 출원에 개시되지 않은 모든 파라미터들에 대해서, 전형적인 수치가 추정 또는 계산되었다. 노즐의 면적은 닫힌 노즐의 비율로부터 계산되었다.
그 결과는 표 1에 나타나 있다.
포인트 41, 42, 43, 44, 45, 및 46은 도 1에 나타나 있다.
반응기 체적 [m3] 봉의 수 봉의 길이 [m] Twall [K] Trod [K]
17 98 1.9 393 1273
FL [%] Q [m3/s] Ad [m2] Arn
0.03 0.047 3.14E-03 7740
도 1-41 0.50 0.126 3.14E-03 1088
도 1-42 0.54 0.137 2.28E-03 667
도 1-43 1.94 0.273 2.28E-03 167
도 1-44 3.10 0.273 2.28E-03 167
도 1-45 3.21 0.261 2.90E-03 233
도 1-46 12.41 0.261 2.90E-03 233
EP 2 067 744 A2에 개시된 공정에 대한 아르키메데스 수의 그래프는 본 발명의 아르키메데스 수의 범위에 못 미치며 전혀 다른 특성을 보여주고 있는데, 이는 반응 개스의 유입 속도의 변화에 기인하는 것으로 보인다.
특히, 넘어지는 봉의 비율이 증가되는 것으로 관찰된다. 증착 속도 역시 균일한 떨어지는 형태가 허용되는 때에만 충분히 높다. 아르키메데스 수의 증가가 이러한 문제들을 제거할 수 있다는 사실이 놀랍다.
DE 29 12 661 A1에 개시된 공정은 또한 충전 수준의 함수로서 아르키메데스 수의 그래프를 보여주고 있는데, 이것은 본 발명의 범위보다 낮다(EP 2 067 744 A2에 개시된 공정과 유사하지만, 구체적인 그래프는 없다). 이 공정에서, 이중-제트형 노즐이 사용된다. 다음과 같은 파라미터가 사용되었다:
반응기 체적 [m3] 봉의 수 봉의 길이 [m] Twall [K] Trod [K]
3 8 2 393 1373
FL [%] Q [m3/s] Ad [m2] Arn
도 1-7 6.89 0.0101 6.79E-05 364
포인트 7은 도 1에 나타나 있다.
봉의 구조의 균일성과 관련하여 DE 29 12 661 A1에 기재된 장점이 이러한 공정에서 관찰될 수 있지만, 이 공정은 다른 단점들을 상당히 나타낸다.
예를 들어, 아르키메데스 수와 관련하여 본 발명의 범위 내에 있는 공정들 보다 비에너지 소비가 훨씬 높다.
반면, 본 발명의 공정의 경우 비에너지 소비가 10-20% 낮다.
또한, 비교 실시예의 공정에 따르면, 넘어지는 봉의 비율이 뚜렷하게 증가한다.
DE 29 12 661 A1 및 EP 2 067 744 A2에 따른 공정들의 경우에는 넘어지는 봉의 비율이, 아르키메데스 수가 본 발명의 범위 내에 있는 본 발명의 공정의 경우보다 약 50-100% 높다.
실시예
본 발명에 따른 3개의 상이한 공정이 제시된다.
서로 다른 반응기가 사용되었는데, 이들 반응기는 반응기의 체적 및 봉의 수에 있어서 서로 상이하다.
상기 공정들 중 하나의 공정(실시예 1)에 있어서, 48개의 봉과 12.7 m3의 체적을 가진 반응기가 사용되었다. 다른 공정(실시예 2)에서는 체적이 10 m3인 반응기에 들어 있는 24개의 봉에 대해 증착이 수행되었다.
세 번째 공정(실시예 3)에서는, 반응기 체적이 5.9 m3에 불과했고, 봉의 수는 마찬가지로 24개였다.
모든 공정에서 봉의 길이는 2.9 내지 3.1 m 였다.
표 3은 도 1에 도시된 곡선 1의 3개의 포인트 11, 12 및 13의 파라미터들을 나타낸다.
벽의 온도 Twall은 393 K로 일정했다. 노즐의 단면적은 4.185　x 10-3　m2로 일정했다.
두 번째 컬럼에 반응기의 충전 수준이 나타나 있다.
봉의 온도 Trod는 0.16%의 충전 수준에서 1326 K로부터 19%의 충전 수준에서 1302 K로 하강한다.
Q는 작동 조건하에서 반응 개스(트리클로로실란 및 수소)의 체적 유량을 나타내며, 그 단위는 m3/s 이다. Q는 처음에는 증가하고 그 후에는 일정하게 유지된다.
Arn은 아르키메데스 수를 나타낸다.
이 경우에, 아르키메데스 수는 10.76%의 충전 수준과 19.06%의 충전 수준 사이에서 반드시 일정하게 유지된다. 이는 또한 반응 개스의 체적 유량에도 적용되며, 0.192 m3/s로 일정하다.
곡선 1
도　1 		Twall [K] FL [%] Trod [K] Q [m3/s] Ad [m2] Arn
11 393 0.16 1326 0.043 4.185 ×10-3 21　749
12 393 10.76 1302 0.192 4.185 ×10-3 1097
13 393 19.06 1299 0.192 4.185 ×10-3 1100
표 4는 도 1에 도시된 곡선 2(실시예 2) 상의 3개의 포인트 21, 22 및 23의 파라미터들을 나타낸다. 이 경우에도 반응기의 벽의 온도 Twall은 393 K로 일정하였다. 노즐의 단면적 역시 일정하게 유지되었고, 이 경우 2.161　x 10-3　m2 였다.
봉의 온도 Trod는 0.106%의 충전 수준에서 1364 K로부터 17.98%의 충전 수준에서 1306 K로 하강한다. 이 경우에 아르키메데스 수는 5.03%의 충전 수준과 17.98%의 충전 수준 사이에서 1332로부터 2671로 높아진다.
곡선 2
도　1 		Twall [K] FL [%] Trod [K] Q [m3/s] Ad [m2] Arn
21 393 0.106 1364 0.027 2.161 ×10-3 18　121
22 393 5.03 1342 0.099 2.161 ×10-3 1332
23 393 17.98 1306 0.069 2.161 ×10-3 2671
표 5는 도 1에 도시된 곡선 3(실시예 3) 상의 4개의 포인트 31, 32, 33 및 34의 파라미터들을 나타낸다. 이 경우에도 반응기의 벽의 온도 Twall은 393 K로 일정하였다. 노즐의 단면적 역시 일정하게 유지되었고, 이 경우 8.18　x 10-4　m2 였다.
봉의 온도 Trod는 0.197%의 충전 수준에서 1299 K로부터 21.1%의 충전 수준에서 1233 K로 하강한다.
곡선 3(실시예 3)에서, 아르키메데스 수는 3.604%의 충전 수준과 6.5%의 충전 수준 사이에서 낮아졌는데, 충전 수준이 3.604% 보다 낮은 경우의 감소 수준에 비해 더 높은 수준으로 낮아졌다.
충전 수준 6.5%로부터 아르키메데스 수의 그래프가 일정하게 유지된다. 이때 반응기의 체적 유량도 0.058 m3/s로 일정하게 유지된다.
곡선 3
도　1 		Twall [K] FL [%] Trod [K] Q [m3/s] Ad [m2] Arn
31 393 0.197 1299 0.01 8.18 ×10-4 40　599
32 393 3.604 1272 0.031 8.18×10-4 4173
33 393 6.5 1262 0.058 8.18 ×10-4 1135
34 393 21.1 1233 0.058 8.18 ×10-4 1120
1: 실시예 1의 곡선
2: 실시예 2의 곡선
3: 실시예 3의 곡선
4: 비교실시예의 곡선

Claims (8)

  1. 다결정 실리콘의 제조 방법으로서,
    상기 방법은, 실리콘-함유 성분 및 수소를 포함하는 반응 개스를 하나 이상의 노즐에 의해 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 상기 반응기는 실리콘이 증착되는 하나 이상의 가열되는 필라멘트 봉을 포함하며, 반응기의 공부피(empty volume)에 대한 봉의 부피의 비(백분율)를 의미하는 충전 수준(fill level: FL)의 함수로서 반응기내 유동조건(flow condition)을 나타내는 아르키메데스 수(Archimedes number: Arn)가, 충전 수준 FL이 5% 이하인 경우에는 함수 Ar　=　2000　x　FL-0.6 에 의한 하한값과 함수 Ar　=　17　000　x　FL-0.9에 의한 상한값으로 정해지는 범위 내이며, 충전 수준 FL이 5% 보다 큰 경우에는 750 내지 4000인, 다결정 실리콘의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 아르키메데스 수가 4.5-5.5%의 충전 수준까지는 감소하고, 이보다 높은 충전 수준에서는 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아르키메데스 수가 6.5-7.5%의 충전 수준까지는 감소한 다음 일정하게 유지되고, 4.5%보다 높은 충전 수준에서는 1-3%의 충전 수준의 경우보다 더 높은 정도로 감소하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 아르키메데스 수가 4.5-5.5%의 충전 수준까지는 감소하고, 이보다 높은 충전 수준에서는 증가하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기의 체적은 300 K 내지 700 K의 온도를 가진 벽에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  6. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기의 외벽에 상기 벽과 대면하는 하나 이상의 봉의 일측과 상기 하나 이상의 봉의 높이의 중간 지점에서 측정되는 봉의 온도가 1150 K 내지 1600 K인 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘 증착 후 적어도 하나 이상의 봉이 상기 반응기로부터 제거된 다음 기계적으로 가공되어 실리콘 청크(silicon chunk)를 형성하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에 의해 제조되는 다결정 실리콘은 대역 용융법(zone melting), 초크랄스키 방법(Czochralski process), 또는 블록 주조법(block casting)에 의한 단결정 실리콘의 제조용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
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