KR20120024502A - 공급 가스를 완전히 이용하고 완전히 재활용하는 ｃｖｄ-지멘스 모노실란 반응기 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모노실란(monosilane)(SiH4) 기반의 CVD 폴리실리콘(polysilicon)의 화학 기상 증착(CVD)을 위한 모노실란 및 수소 재활용(hydrogen recycle) 공정/시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실질적으로 완전한 실란 이용에 관한 것이고, 가스 상태의 실란 전구체(precursors)의 분해를 거쳐 폴리실리콘 청크(chunk) 물질을 제조하는, (반응기로부터) 미전환된 오염이 없는 완전한 실란 및 수소 재활용 공정에 관한 것이다.

Description

공급 가스를 완전히 이용하고 완전히 재활용하는 ＣＶＤ-지멘스 모노실란 반응기 공정{CVD-SIEMENS MONOSILANE REACTOR PROCESS WITH COMPLETE UTILIZATION OF FEED GASES AND TOTAL RECYCLE}
본 발명은 모노실란(monosilane)(SiH4) 기반의 CVD 폴리실리콘(polysilicon)의 화학 기상 증착(CVD)을 위한 모노실란 및 수소 재활용(hydrogen recycle) 공정/시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실질적으로 완전한 실란 이용에 관한 것이고, 가스 상태의 실란 전구체(precursors)의 분해를 거쳐 폴리실리콘 청크(chunk) 물질을 제조하는, (반응기로부터) 미전환된 오염이 없는 완전한 실란 및 수소 재활용 공정에 관한 것이다.
슬림 로드(slim rod) 기판상에 가스 상태의 전구체 화합물의 분해를 거쳐 폴리실리콘 청크 물질을 제조하는 것은 일반적으로 "지멘스 공정(Siemens process)"이라 불리는 잘 알려지고, 널리 이용되는 공정이다. 통상적인 지멘스 공정에서, 고순도 실리콘 로드는 1150℃에서 캐리어 가스를 가진 트리클로로실란(trichlorosilane)에 노출된다. 트리클로로실란 가스는 가열된 로드 상으로 실리콘을 분해하여 증착시키고, 가열된 로드를 성장시킨다.
2HSiCl3 → Si + 2HCl + SiCl4
이로부터 그리고 유사한 공정으로 수확된 실리콘은 다결정 실리콘이다. 지멘스 공정에 의해 성장된 다결정 실리콘은 전형적으로 10 내지 9 미만의 불순물 수준을 가진다.
더욱 상세하게는, 지멘스 공정은 분해/증착이 조합된 공정이며, (1) 고온, 기밀(air-tight) 작동을 가능하게 하는 적합한 인클로저(enclosure)로 덮여 있는 하나 이상의 로드 또는 필라멘트(적합한 기판)를 가열하는 단계; (2) 원하는 조성(실란을 포함하는)의 전구체 물질 또는 화합물을 오염 없이 또는 오염을 최소화하여 공급하는 단계; (3) 적합한 환경 하에서 둘러싸인 로드 또는 필라멘트를 원하는 온도로 더욱 가열하는 단계; (4) 로드/필라멘트의 가열된 표면상에서 전구체 물질을 우선적으로 분해하여 기판 또는 슬림 로드 상에 청크 폴리실리콘을 형성하는 단계; (5) 부산물을 회수 또는 처리하는 단계; 및 (6) 슬림 로드를 오염시키지 않고 다결정 실리콘이 성장한 슬림 로드를 회수하는 단계를 포함한다.
전형적인 지멘스 공정 및 반응기에서, 반응물 가스는 단일 포트(port)로부터 로드에 공급되어 불균일한 성장을 야기한다. 이러한 로드 길이에 대한 불균일한 가스 분배는 먼지를 생성하는 다량의 균질 핵생성(homogeneous nucleation)을 더욱 촉진한다. 이러한 불균일한 성장 및 균질 핵생성은 결과적으로 반응기 고장/중단을 촉진한다. 나아가, 전형적인 지멘스 공정 반응기 내의 로드는 개별적으로 분리되어 있지 않다. 그 결과, 로드 및 가스 전구체 분배 사이의 불균일한 복사열에 의해 균질 핵생성, 낮은 전환율, 높은 부산물의 양, 및 로드 상의 불균일한 성장은 더욱 촉진된다.
지멘스 공정을 이용하는 알려진 시스템은 각 반응기 시스템에 부착된 2 이상의 전원 공급 장치를 사용한다. 하나 이상의 주 전원 공급 장치는 가스의 분해/증착을 위한 반응기의 슬림 로드(즉, 청크 실리콘 물질이 증착되는 로드) 시스템의 온도를 가열 및 유지하기 위해 사용된다. 이차 전원 공급 장치는 일반적으로 실리콘 로드의 전기적 저항을 극복하기 위한 가열 개시시에 필요하다 (반응기에 전형적인 약 26,000 볼트 초과의 전압이 요구되고, 사용되는 슬림 로드 어셈블리의 길이 및 직경에 따라 또한 전압이 요구된다). 고전압 전원 공급 장치의 필요성은 알려진 반응기를 작동시킴에 따르는 비용 및 안전상의 문제를 심각하게 증가시킨다.
고전압 전원을 사용하는 대신, 몇몇 알려진 반응기는 증착 로드에 평행하게 반응 공간 내로 도입되는 히팅 핑거(heating finger)를 사용한다. 증착을 위해 반응기 슬림 로드를 예열하기 위해, 히팅 핑거는 반응기에 장착된 슬림 로드에 근접하여 반응 공간 내의 하부에 위치된다. 일단, 반응기 슬림 로드가 온도에 대해 최적의 전기 도전성 상태라면, 전류는 캐리어 로드를 통해 흐를 수 있다. 이후 히팅 핑거는 반응기로부터 제거되며, 금속 인클로져(metallic enclosure)의 개구부가 밀봉된다. 이러한 알려진 반응기는 안전성, 작동 및 유지에 있어서의 문제뿐만 아니라, 생산물의 순도/완전성, 처리량(throughput), 및 밀봉의 설정과 유지에 있어 추가 문제를 나타낸다.
알려진 산업 공정에 따르면, 지멘스형 반응기에서 순수하고 정제된 실리콘 필라멘트의 뜨거운 표면에서 가스상으로부터 실리콘 할라이드(halide)를 분해시킴으로써, 실리콘 원소가 고순도의 원통형 로드의 형태로 얻어지며, 바람직한 할라이드는 클로라이드, 실리콘 테트라클로라이드(tetrachloride) 및 트리클로로실란이다. 이들 화합물은 800℃ 이상의 온도에서 점점 불안정해져서 분해된다.
균질 및 불균질(heterogeneous) 핵생성 과정은 반응기 내에서 각각 경쟁적으로 일어난다. 실리콘 증착은 이종 반응을 거쳐서 약 800℃에서 시작되고 이러한 증착은 1420℃의 실리콘 융점까지 연장된다. 증착은 슬림 로드 상에서만 유리하기 때문에, 챔버 벽에서의 낭비되는 증착을 방지하기 위해 분해 챔버의 내벽은 800℃ 부근의 온도에까지 이르러서는 안된다.
알려진 지멘스 공정 반응기에서, 반응기 벽은 이러한 낭비되는 증착을 방지하고, 또한 어셈블리의 구조적인 완전성을 유지하기 위하여 일반적으로 냉각된다. 그러나 벽을 냉각하는 것은 추가적인 에너지를 소모한다. 반응기 벽의 냉각과 관련된 추가적 문제는, 냉각된 반응기 벽 상에서 분말 입자의 열영동 증착(thermophoretic deposition)이다. 이러한 증착은 일반적으로 가스 흐름에서 입자가 여러 번 재순환되는 취약한 결과를 초래한다. 여기서 증착된 분말은 결국 완화되고 반응기 내로 붕괴되어 반응기의 조기 고장을 야기한다.
고순도 실리콘 제조에 가장 빈번하게 사용되는 실리콘 할라이드는 실리콘 테트라클로라이드와 트리클로로실란이다. 이들 할라이드는 뜨거운 표면에 접촉하면 열분해(pyrolysis)를 거칠 것이고 실리콘 원소가 증착될 것이다. 그러나 합리적이고 경제적인 수율을 얻기 위해서 초과량의 수소 가스가 실리콘 할라이드 기상 반응 공급 가스에 첨가된다. 단위 중량당 실리콘 함량이 비례적으로 높고 증착 온도가 비교적 낮기(즉, 더욱 빠른 동역학) 때문에, 트리클로로실란은 실리콘 테트라클로라이드보다 실리콘을 더욱 많이 증착시킬 것이고 따라서 실리콘 할라이드 공정을 사용하여 다결정 실리콘을 제조하는 지멘스 공정에서 선호되는 물질이다. 그러나 전구체 기반의 다른 실란이 반응기에 사용될 수 있다.
예를 들면, 특히, SiH2Cl2 및 SiH3Cl과 같은 3개 미만의 염소 원자를 가지는 실리콘 할라이드는 반응에서 소비되는 실리콘 할라이드 몰당 더욱 많은 실리콘을 증착한다. 그러나 이러한 실리콘 전구체는 쉽게 입수할 수 없고 따라서 경제적으로 덜 바람직하기 때문에 실용적이지 않다. 또한, 수율은 반응기를 통한 각 경로당 20%(±2%) 이하이고, 부산물 가스는 다루기 매우 어렵다.
개선된 증착 속도를 위한 다른 접근법은 전구체 실리콘 소스로써 모노실란(SiH4 또는 실란이라고도 알려진)을 사용하는 것이다. 이러한 공정은 실란과 수소의 가열된 혼합물을 사용하는 것인데 여기서 빠른 동역학 및 낮은 온도가 클로로실란 공정보다 빠른 증착과 보다 우수한 전환율을 돕는다. 예를 들어 실란은 그 자체가 효과적인 실리콘 전구체로 제공되며 분자 내에 염소가 없는 것은 또한 실리콘 반응 가스 혼합물의 실리콘 대 수소 비율을 개선시킨다. 통상적으로, 실란은 300℃ 이상, 더욱 쉽게는 400℃ 이상에서 분해되어 실리콘과 수소를 형성한다. 즉, 실란 분해 공정은 트리클로로실란 공정에 비하여 상당히 낮은 온도에서 발생한다. 클로로실란 공정과 다르게, 형성된 부산물은 쉽게 재활용될 수 있는 실란 및 수소이다.
통상적으로, 지멘스 반응기 기반의 모노실란으로부터의 오프 가스(off-gas) 흐름은 균질하게 형성된 폴리실리콘 반응 먼지, 미전환된 반응 가스, 원래 형성된 부산물 가스(디실란, 유기실란 등) 및 반응기와 공급 가스에 존재하는 다른 불순물을 포함한다. 따라서, 수소 및 회수된 모노실란 흐름이 반응기로 직접 다시 재순환될 경우, 수소 및 회수된 모노실란 흐름은 CVD 폴리실리콘 공정/제조를 오염시킬 수 있으므로, 종래 기술 공정에서 재사용될 수 없다. 지멘스 시스템 기반의 모노실란에서 모노실란 및 수소의 손실은 원자재의 손실이므로 다결정 실리콘 로드의 제조에 있어서 추가 경제적인 낭비이다. 따라서, 모노실란 및 수소 가스를 정제하고 재활용하기 위한 회수 시스템이 요구된다.
그러므로 당업계에서 요구되는 것은 실란 및/또는 수소를 재활용하는 증착에 의해 폴리실리콘을 제조하고, 모노실란의 완전한 이용을 가능하게 하고 그러나 비용 효과적이고 효율적인 방식으로 극히 순수한 폴리실리콘을 생성하는 개선된 지멘스형 공정이다.
일반적으로 말하면, 본 발명은 CVD 지멘스 반응기 또는 시스템에 관한 것으로 미반응된 모노실란, 수소 회수 및 재활용 시스템을 포함한다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 직렬의 필터, 분자체, 흡착 컬럼 및/또는 분별 증류 컬럼을 통하여 실란을 냉각하고 정제하고 실란을 다시 시스템 내로 재활용하는 것을 포함한다. 유사하게 수소는 냉각되고 정제되고 재활용된다. 바람직한 실시예에서, 역류 열 교환기가 시스템의 비용 효율을 더욱 향상시키기 위하여 사용된다.
반응기에서 오프 가스(고온 미반응된 실란, 수소, 및 다양한 불순물을 포함하는)는 일반적으로 약 260 내지 280℃이고, 냉각되고(150 내지 200℃), 바람직하게는 소결된 스테인리스 스틸 필터 구성을 사용하여 정제된다. 오프 가스는 약 상온(20 내지 30℃)까지 더욱 냉각되고, 요구되는 CVD 재활용 시스템 압력으로 압축되고, 따라서 정제 후 시스템 내로 다시 재활용될 수 있다. 바람직하게는, 압축기는 2-스테이지의, 비윤활 방식이고, 균형-대향된, 왕복 운동하는 압축기이다. 단일 스페이지 압축기가 작동 요구사항에 기반하여 사용될 수 있다.
압축기에서 미반응된 실란, 수소, 및 불순물 흐름은 바람직하게는 냉매로써 차가운 수소 흐름(시스템의 다른 지점에서 획득되고 이하 기술되는)을 이용하는 열 교환기를 통과함으로써 더욱 냉각된다(-150 내지 -180℃). 이러한 역류 열 교환기는 에너지를 절약하고 재활용 과정의 비용 효율성을 향상시킨다.
만약 수소가 있다면, 이 지점에서 수소는, 플래쉬 드럼(flash drum), 넉-아웃 드럼(knock-out drum), 넉-아웃 팟(knock-out pot), 압축기 석션 드럼 또는 압축기 입구 드럼과 같은 임의의 증기-액체 분리기에 의해 선택적으로 제거될 수 있다. 그렇다면, 분리된 실란은 이후에 추가 정제를 위해서 기화되고 재압축된다.
실란과 불순물은 이후에 더욱 냉각되어, 비록 다른 냉각 시스템이 사용될 수 있지만 바람직하게는 액체 질소로 냉각되는 교환기에서 오프 가스 성분의 응축 온도(-170 내지 -180℃)에 도달한다. 이러한 온도에서, 가스 흐름에서의 실란(불순물을 포함하는)의 대부분(적어도 약 95%)이 응축된다.
응축된 실란과 불순물의 흐름은 이후에 추가 정제를 위해 보내질 수 있지만, 폴리실리콘의 정제가 중요하지 않다면 반응기로 다시 재순환될 수 있다.
추가 정제가 필요하다면, 응축된 실란은 다양한 성분을 분리시키기 위하여 직렬의 분별 증류 컬럼을 통과한다. 예를 들면, 우리는 수소, 다른 더 경량 가스(실란보다 더 경량) 및 작은 분자량 탄화수소 불순물을 포함하는 경량 가스를 제거하기 위하여 탈기 컬럼을 통과한다. 실란 및 중량 오염물 성분은 저부에서 액체로 수집되고, 중량 컬럼을 통과하고 여기서 중량 성분은 컬럼 저부에서 제거된다. 상부 배출 실란 가스가 있다면, 상부 배출 실란 가스는 에틸렌 및 다른 탄화수소를 제거하기 위하여 최종 마감 컬럼을 통과하기 전에 직렬의 흡착기 베드를 통과한다. 이후에 액체 실란은 중량 성분 정제 컬럼을 통과하고, 중량 성분 정제 컬럼은 저부에서 중량 성분과 상부에서 실란 증기를 분리시킨다.
에틸렌을 제거하기 위하여, 실란 증기는 4Å 분자체를 함유하는 컬럼을 통과한다. 따라서 에틸렌은 분자체의 기공에 흡착된다. 탄화수소의 관통 가능성을 방지하기 위하여, 3개 이상의 분자체 컬럼이 바람직하게는 직렬로 배치되고, 탄화수소에 관하여 제1 및 제2 컬럼 사이의 흐름이 감시된다.
이러한 흡착 컬럼에서 실란은 다시 여과될 수 있고, 이후에 최종 마감 컬럼에서 지금 순도 실란으로부터 에틸실란을 증류시킨다. 이러한 순도 실란은 액체로 저장될 수 있고, 이후에 가열되고 재활용되거나 또는 즉시 재활용될 수 있다.
우리는 일련의 특정 정제 공정 및 각각의 사용에 요구되는 가열과 냉각을 기술하였지만, 사용되는 정제 단계의 순서 및 정확한 세부사항이 변경될 수 있다는 것은 명백하다.
수소는 공정의 하나 이상의 지점에서 바람직하게는 탈기 컬럼에서 실란으로부터 분리되어야 하지만, 수소의 대부분이 공정의 임의의 적합한 지점에서 증기 액체 분리기와 같은 다른 지점에서 분리될 수 있다. 수소가 하나 이상의 지점에서 분리되면, 이러한 흐름은 추가 처리 전에 재결합될 수 있다.
분리된 수소는 매우 낮은 온도에서 하나 이상의 정제 컬럼을 통과하고, 바람직하게는 직렬로 배치된 활성탄 베드에서 그리고 바람직하게는 활성 숯불 베드를 통과한다. 필요한 경우에, 정제된 저온의 수소는 흡착 베드에서 빠져나갔을지 모를 임의의 미립자를 트랩하기 위하여, 극저온 필터를 통과한다. 바람직하게는, 이러한 수소 흐름은 액체 질소로 매우 낮은 온도로 냉각되고, 따라서 이러한 수소 흐름은 고온의 오프 가스 흐름에 대한 대항 냉각제로 사용될 수 있다.
이후에, 이 매우 차가운 수소 흐름은 재활용되기 전에 바람직하게는 이전에 설명된 열 교화기를 통과함으로써 약 상온으로 가열된다. 따라서 저온 수소는 CVD 반응기에서 배출하는 고온 가스를 냉각시켜, 시스템의 비용 효율이 상당히 향상된다.
도 1은 실란 및 수소를 재활용하는 개선된 화학 기상 증착 시스템의 일 실시예를 도시하는 도식도이다.
도 2는 본 발명의 일부 실시예에서 사용되는 열 전달 유체 재순환 시스템을 도시하는 도식도이다.
도 3은 본 발명의 일부 실시예에서 사용되는 반응기 질소 냉각/재활용 시스템을 도시하는 도식도이다.
본 발명의 실시예는, 재킷으로 둘러싸인 적어도 하나의 반응 챔버를 포함하는 반응기 용기로서, 예열 및 열 제거 유체가 재킷에서 순환되는 반응기 용기; 반응 챔버 내로 연장되는 하나 이상의 전극 어셈블리로서, 각각의 전극 어셈블리는 열 전달 재킷, 하나 이상의 가스 주입구, 하나 이상의 열 전달 유체 주입구/출구, 적어도 한 쌍의 실리콘 필라멘트를 포함하고, 필라멘트/슬림 로드 어셈블리를 형성하기 위하여 필라멘트들이 상단부에서 실리콘 브리지로 서로 연결되고, 각각의 필라멘트/슬림 로드 어셈블리는 분리 열 전달 유체 재킷에 둘러싸인 전극 어셈블리; 반응을 일으키고 화학 기상 증착에 의해 필라멘트 상에 다결정 실리콘을 증착함으로써 다결정 실리콘 로드를 제조하기 위해, 반응 챔버 내로 가스를 공급하기 위한 용기의 내부에 노즐을 통해 다양한 지점에서 분배되는 실리콘-함유 가스의 소스; 증착 슬림 로드(그 위에 청크 실리콘이 증착될)를 예열하고 재킷 벽 온도를 유지하고, 과도하게 전달된 열을 제거하기 위한 냉매(cooling medium)로써 작용하는 열 전달 유체를 공급하는 재킷으로 둘러싸인 반응 챔버에 연결된 열 전달 시스템; 및 약 26,000 볼트보다 현저히 낮은 전원을 공급하는 전원 공급 장치를 포함하는 실리콘 로드 생산 장치를 제공하며, 상기 장치는 히팅 핑거를 포함하지 않는다.
반응기는 두껍고 열적으로 냉각된 베이스 플레이트를 포함한다. 베이스 플레이트는 열 전달 유체의 이동을 촉진하기 위한 동공(cavities), 가스 주입구, 희석제 주입구, 전극 삽입체(electrode inserts) 및 배출 포트(exhaust port)를 포함한다. 재킷으로 밀폐된 채널에 의해 둘러싸인 종 형상의 금속 인클로저(metal bell-shaped enclosure)가 종 형상의 인클로저의 외부 표면에서 열 전달 액체의 통과를 용이하게 하기 위하여 배플(baffle)을 포함한다. 가는 실리콘 로드가 전극 상에 U-형상으로 장착되고 베이스 플레이트에 고정된다. 전극은 베이스 플레이트를 통과하고 전력원에 연결된 전기적 커넥터와 연결된다.
본 발명의 공정에서 추가적 단계는 슬림 로드/실리콘 필라멘트를 둘러싸는 열 전달 시스템에서 열 전달 유체를 순환시킴으로써 실리콘 필라멘트가 도전성을 갖게 되는 온도로 로드 반응 챔버를 예열하는 단계; 전원 공급 장치로부터의 전류를 인가함으로써 실리콘 증착 온도로 실리콘 필라멘트를 가열하는 단계; 가압하여 반응 가스 흐름을 반응 챔버에 공급하는 단계; 실리콘을 형성하기 위해 반응 가스 흐름의 적어도 일부를 분해하는 단계; 및 다결정 실리콘 로드를 제조하기 위해 실리콘을 실리콘 필라멘트 상에 증착하는 단계를 포함한다.
반응기로부터의 오프 가스(off gases)는 현존의 반응기에 대해 일반적으로 약 280℃이고, 냉매, 바람직하게는 수냉 교환기(water cooled exchanger)에 의해 먼지 여과(dust filtration)가 수행되는 온도로 냉각된다. 이는 시스템 및 가스 흐름 내에서 먼지의 축적을 방지한다. 먼지가 함유된 냉각된 가스는 균질 핵생성을 통해 생성된 입자를 포획하기 위하여 소결된 스테인리스 스틸 필터 구성을 사용하여 여과된다. 따라서, 최종 여과 가스(filtered gases)는 먼지에 의해 오염되지 않아서 비용 효율을 향상시키기 위하여 추가 재활용될 수 있다.
오프 가스는 정제 후 시스템으로 재활용되어 돌아가기 위해 요구되는 CVD 재활용 시스템 압력으로 압축되기 위하여 더욱 냉각된다. 오프 가스의 온도는 교환기, 바람직하게는 수냉 교환기에 의하여 주위 온도로 종결된다. 재활용 수소 압축기는 바람직한 실시예에서, 2-스테이지(two-stage)의, 비윤활 방식(nonlubricated)이고, 균형-대향된(balanced-opposed), 왕복 운동하는(reciprocating) 압축기이다. 비윤활 방식의 왕복 운동하는 압축기는 큰 부피의 가스를 실질적으로 오염 없이 순환시킬 수 있다는 점에서 바람직하다. 통상의 기술자는 이와 같은 특성을 제공하는 어떤 압축기라도 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
2-스테이지 압축기는 각 스테이지에서 가스의 배출 온도를 더욱 제한한다. 따라서, 일부 실시예에서, 최대 가스 온도는 압축기 내에서 사용되는 테프론 링(Teflon ring) 및 라이더 밴드(rider bands)의 온도 한계에 의해 설정된다. 배출 온도가 낮을수록 압축기 밸브의 수명과 신뢰성이 또한 증대한다. 이후 오프 가스는 오프 가스 처리 시스템을 거친 압력 강하에 더하여 CVD 반응기 작동 압력 강하를 극복하기 위하여 공급 가스 압력으로 압축된다. 압축기로부터의 배출 가스는 추가 정제, 회수 및 재활용을 위해 냉각된다.
압축기 애프터 쿨러(aftercooler)에서의 미전환 실란 및 전체 수소 흐름은 냉매로서 흡착기/수소 정제 컬럼(adsorber/hydrogen purifier column)에서의 차가운 수소 흐름을 이용하는 열교환기(interchanger)(에너지를 절약하기 위해 상호 가스 열 교환)를 통과함으로써 더욱 냉각된다. 이후 출구 가스는 액체 질소(또는 적합한 냉매)를 거쳐 오프 가스 실란 가스 및 그의 불순물 성분의 응축 온도에 도달하도록 비록 다른 냉각 시스템이 사용될 수 있지만, 바람직하게는 액체 질소로 냉각되는 교환기에서 최종적으로 냉각된다. 이러한 온도에서 가스 흐름에서의 실란(불순물을 포함하는)의 대부분(적어도 약 95%)이 응축된다. 이후에, 응축된 실란과 불순물의 흐름은 압축 후에 정제 시스템으로 보내질 수 있다. 폴리실리콘의 정제가 중요하지 않다면 반응기로 다시 재순환될 수 있다.
오염된 실란은 가벼운 가스 및 탄화수소 불순물을 제거하기 위하여 탈기 컬럼(degasser column)을 통과한다. 이것은 22.14 kg/㎠의 압력 하에 약 -12 내지 -54℃(상부 내지 저부)에서 발생한다. 실란 및 다량의 오염 성분은 저부에서 수집되고 중량 컬럼(heavy column)을 통과하고, 다량의 성분은 컬럼 저부에서 제거된다. 중량 컬럼의 상태는 일반적으로 약 21.09 kg/㎠의 압력 하에서 38℃로부터 -54℃로 변한다. 상부 배출 실란 가스는 에틸렌 및 다른 탄화수소를 제거하기 위하여 최종 마감 컬럼을 통과하기 전에 직렬의 흡착기 베드를 통과한다.
최종 마감 컬럼은 다소 낮은 압력으로 중량 컬럼과 유사한 상태를 가진다. 이제 방출되는 실란은 매우 순수하고 반응기로 재활용되기 전에 약 18.3 kg/㎠의 압력 및 약 -38 내지 -40℃ 온도로 저장된다. 그 후 실란 액체는 예열기를 통과함으로써 약 상온으로 가열된다. 고순도 실란 가스의 최종 여과가 재활용 실란 필터(바람직하게는 0.04 미크론 이하의 기공 크기를 가지는)에서 이루어진다.
실란 및 대응하는 오염물로부터 분리 후 수소 가스 흐름은 분무(mist)(도시되지 않음)로부터 분리되고 하나 이상의 정제 컬럼(purification columns)을 통과한다. 정제 공정은 특별히 500 ㎡/g 초과의 표면적을 가지는 활성탄을 포함하는 활성탄 베드 또는 분자체(moleculer sieve) 베드에서 매우 낮은 온도(적어도 약 -170 내지 -175℃)로 수행된다.
일반적으로, 수소 가스가 통과하는 정제 컬럼, 또는 흡착 베드가 직렬로 동작된다. 아르곤, 탄소 화합물(주로 메탄), 미응축 실란, 붕소 및 인 화합물과 같은 수소 가스에서의 불순물은 흡착 베드에 보유된다. 이러한 베드는 오프 가스가 태워지거나, 또는 다른 방법으로 처리되는 동안 선택적으로 재생될 수 있다.
정제된 매우 낮은 온도의 수소는 흡착 베드에서 빠져나갔을지 모를 임의의 미립자를 트랩(trap)하기 위하여, 극저온 필터(cryogenic filter)(바람직하게 1 미크론의 절대 크기(absolute size)의 기공 크기를 가지는)를 통과한다. 이후에 수소 흐름은 바람직하게는 이전 수소 열교환기를 통과하여(고온의 미정제된 수소와 열 교환하여 비용 효율을 더욱 향상시키는), 약 상온으로 가열된다. 고순도 수소 가스의 최종 여과가 재활용 수소 필터(바람직하게 0.04 미크론 이하의 기공 크기를 가지는)에서 이루어진다. 정제된 수소는 이후에 CVD 반응기 내로 다시 재활용될 수 있고, 또는 다르게 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템이 도식형태로 나타내어 진다. 편의를 위해 표 1은 도 1에 도시된 시스템의 구성에 대한 명칭을 나열한다.
도면부호 명칭 도면부호 명칭
1 실란 공급부 11 재활용 수소 냉각기
2 수소 공급부 12 응축기
3 믹싱 티(Mixing Tee) 13 넉아웃 드럼(Knock-out Drum)
4 예열기/교환기 14 실란 증발기/교환기
5 CVD 반응기 15 실란 압축기
6 반응기 출구 가스 냉각기 16A 실란 탈기부(Silane Degassing)
7 먼지 필터 16B 실란 과중 탈기부
(Silane Heavy Degasser)
8 먼지 호퍼(Dust Hopper) 16C 가벼운 가스 배출
9 압축기 16D 무거운 가스 배출
10 재활용 수소 열교환기 17A 실란 정제부
17B 실란 연마부(Silane Polishing)
18 가열 매체 공급부
19 냉매 공급부
20 실란 저장부
전형적인 작동에 있어서, 액체 형태의 실란은 교환기(기화)를 거쳐 저장탱크(1)에 공급된다. 가스 상태의 실란은 스태틱 믹서(static mixer)(3)에 의하여 시스템(2)에서 공급된 수소와 혼합된다. 가스 상태의 실란과 수소는 반응기 내로 공급되기 전에 열 교환기(4)를 거쳐 240℃ 내지 300℃(실란의 분해 온도 미만인) 사이의 공급 온도로 가열된다. 수소 희석은 실란에서 약 85% 내지 99% 사이에서 이루어질 수 있다. 실란은 가열된 로드에 인접하여 기상으로 반응하고, 이종 반응(heterogeneous reaction)을 거쳐 청크 폴리실리콘을 제조하기 위하여 CVD 반응기(5)에서 분해된다. 실리콘 분말 생산을 경쟁하는 균질 반응(homogeneous reaction)이 또한 일어날 수 있다. 전형적인 오프 가스는 먼지, 미전환된 실란 및 다른 불순물을 포함하고, 260℃ 내지 280℃의 온도로 반응기에서 배출된다.
미전환된 실란 오프 가스 및 과잉 수소는 바람직하게는 수냉 열 교환기(6)에서 약 175℃로 더욱 냉각된다. 먼지를 함유하는 오프가스는 소결된 스테인리스 스틸 필터 요소(7)를 사용하여 여과된다. 먼지는 이와 같은 구성의 외부에서 수집되고, 재활용 수소와 함께 구성을 백 펄스(back pulsing)함으로써 주기적으로 제거된다. 먼지는 구성으로부터 떨어지고 호퍼(hopper)를 거쳐 드럼(8)에 수집된다. 본 발명의 시스템에 관한 다른 실시예에서 먼지는 대형 색(super sack)에 직접 수집될 수도 있다.
여과된 오프 가스는 전형적인 주위 온도, 일반적으로 30℃ 내지 35℃에 근접하는 온도로 바람직하게는 수냉 열 교환기(도시되지 않음)에서 더욱 냉각된다. 열 교환기는 압축기의 일부일 수 있고, 이는 재활용 압축기 입구 냉각기, 공극 크기가 큰 필터(coarse filter), 연마 필터(polishing filter), 제1 스테이지 석션 병(first stage suction bottle) 및 제1 스테이지 배출 병을 포함할 수 있다. 이후에, 냉각된 오프 가스는 선택적으로 가드 필터(guard filter)(도시되지 않음)를 통과하여 재활용 수소/실란 압축기(9)로 보내진다. 본 발명의 일부 실시예에서, 재활용 수소 압축기(9)는 2-스테이지의, 비윤활 방식이고, 균형-대향된, 왕복 운동하는 압축기이다.
재활용 수소/실란 압축기(9)의 작동은 각 스테이지로부터의 가스의 배출 온도를 약 130℃ 내지 135℃ 미만으로 제한한다. 가스는 압축기(9)에 약 0.42 kg/㎠로 들어가고 압축기(9)의 제1 스테이지에서 약 2 kg/㎠로 압축된다. 압축기(9)의 제1 스테이지에서 배출된 가스는 이후에 압축기 인터쿨러(별도로 도시되지 않음)를 사용하여 약 120℃ 내지 약 125℃에서 약 30℃ 내지 약 38℃로 냉각되고, 이어서 수소 압축기(9)의 일부일 수 있는 최종 연마 필터(별도로 도시되지 않음)를 거친다. 단일 스테이지 압축기(9)도 또한 본 발명의 시스템의 다른 실시예에서 적절한 배출과 온도 제어로 사용될 수 있다.
이후에 압축기를 나가는 미전환 실란 및 과잉 수소 흐름은 흡착기(도시되지 않음)에서의 차가운 수소 흐름을 냉매로서 이용하는 열교환기(10)를 통과함으로써(십자 흐름) -160℃ 내지 -165℃로 냉각된다. 실란-수소 흐름은 바람직하게는 액체 질소로 냉각된 교환기(11) 및 응축기(12)에서 -170℃ 내지 -180℃의 온도로 더욱 냉각된다. 이것은 실란 및 어떠한 오염물도 냉각시키고 액화시킬 것이다.
넉아웃 팟(knockout pot)(13)이 응축된 실란과 다른 응축물(불순물과 같은)을 수소 흐름으로부터 분리하기 위하여 제공된다. 이후에, 분리된 실란은 공기 가열 기화기(air-heated vaporizer)(14)에서 기화되고 재정제(re-purified)되기 위하여 실란 압축기(15)에 공급된다. 재활용된 실란은 실란 압축기의 석션으로 보내진다.
특정 실시예에서 실란 압축기(15)는 주입구, 출구, 단계간 맥동 병(interstage pulsation bottle), 및 단계간 냉각기를 구비한 2-스테이지의 왕복 운동하는 압축기이다. 압축기(15)는 실란으로 불순물의 첨가를 방지하기 위하여 비윤활 방식의 테프론 링을 사용할 수 있다. 압축기(15)의 제1 스테이지는 압력을 5.27 kg/㎠로 증가시키고, 제2 스테이지는 24.61 kg/㎠로 증가시킨다. 압축기(15)의 인터쿨러는 실란의 온도를 113℃로부터 40℃로 낮춘다. 실란이 정제를 위해 공급되기 전에 113℃로부터 약 -10℃로 온도를 낮추기 위해 압축기(15)의 제2 스테이지의 출구에서 미세 튜브 공냉 열 교환기(도시되지 않음)가 제공된다. 압축기(15) 주위의 석션 재활용 라인(도시되지 않음)으로의 배출이 압력 제어 밸브를 통하여 압축기 석션 압력을 0.8 kg/㎠로 제어하도록 제공된다.
오염된 실란은 압축기(15)에서 24.61 kg/㎠로 압축되고, 이 후에 탈기 컬럼(16A)으로 공급된다. 오염된 압축 실란에서의 가벼운 단부(낮은 분자량 오염물)는 탈기 컬럼(16A)에서 제거된다. 탈기 컬럼(16A)은 22.14 kg/㎠로 동작하고, 대형 스트립핑 영역(large stripping section) 및 소형 정류 영역(small rectification section)을 가진다. 수소, 질소, 및 메탄과 같은 가벼운 단부는 오버헤드 증기(overhead vapor)로써 컬럼(16A)을 떠난다. 실란 및 무거운 단부는 저부에서 액체로 컬럼(16A)을 떠난다. 탈기 컬럼(16A)은 구조적 패킹으로 포장된다. 구조적 패킹은 통상적으로 유체가 컬럼을 통하여 복잡한 경로를 가지도록 하는 방식으로 배치된 얇은 파형 금속 플레이트(corrugated metal plate) 또는 거즈(gauze)로 구성되고, 따라서 다른 상 사이의 접촉을 위한 대형 단면적을 생성시킨다. 이러한 패킹은 아소카(Ashoka), 슐저(Sulzer), 코크-글리취(Koch-Glitsch), 논콘(Nonkon), 라인 루르 구조적 패킹(Rhine Ruhr Structured Packing) 및 에이씨에스 분리(ACS Separations) 및 질량 이송 제품을 포함한다.
탈기 컬럼(16A) 상의 응축기는 전형적인 응축기와 관련된 외부 배관 및 다른 연결부를 회피하기 위하여 바람직하게는 분류기(dephlegmator)로써 설계된다. 실란을 응축하고 뒤로 환류하기 위하여, -54℃의 냉동 헵탄(heptane)이 탈기 컬럼(16A) 오버헤드 응축기 상에 냉매로써 사용된다. 탈기 컬럼(16A) 상의 리보일러(reboiler)는 가열/냉각 유체로써 -9 내지 -12℃의 헵탄을 사용하는 열사이펀(thermosiphon) 형태이다. 컬럼 보일-업(boil-up) 및 환류(reflux)는 리보일러로의 열 입력에 의해 제어된다. 오버헤드 드로우(overhead draw)는 소형의 거의 미응축물이고, 따라서 컬럼 환류는 보일-업과 거의 동등하다. 컬럼 압력은 플레어(flare)로의 미응축물의 해제에 의해 제어된다.
탈기 컬럼(16A) 오버헤드 응축기를 떠나는 오버헤드 증기는 가능한 최대로 실란을 제거하기 위하여 제2 넉-백 응축기(knock-back condenser)에 의해 더욱 냉각된다. 바람직하게는 액체 질소는 넉-백 응축기 상의 냉각제(도 3)로 사용된다. 넉-백 응축기를 떠나는 가벼운 단부(16C)는 -115℃이고, 쉘(shell) 측을 떠나는 질소는 -120℃이다. 가벼운 단부는 플레어 헤더 내로 배출된다.
실란 및 무거운 단부는 액체로 탈기 컬럼(16A)의 저부를 떠나서 가압 하에 생성물 컬럼(16B)으로 흐른다. 이 컬럼(16B)은 21.09 kg/㎠으로 동작한다. 에탄, 에틸실란 및 다른 중량체와 같은 무거운 단부는 액체(16D)로써 컬럼(16B)의 저부에서 제거된다. 에틸렌을 따라서 실란은 오버헤드 증기로서 실란 생성물 컬럼(16B)을 떠난다. 실란 생성물 컬럼(16B)은 구조적 패킹으로 포장된다. 정류를 위한 3개의 패킹 영역과 스트립핑을 위한 1개의 패킹 영역을 가진다. 응축기는 오버헤드 증기 드로우가 응축기 앞에서 취해지는 전형적인 형태이다. 액체 환류는 컬럼(16B) 내로 다시 뒤로 넘친다. -54℃에서의 헵탄 또는 어떠한 다른 적합한 용매가 응축기 상의 냉매로써 사용된다. 리보일러는 바람직하게는 내부 가열 코일을 구비한 드럼으로 설계된다. 약 138℃에서의 헵탄은 일반적으로 거의 에탄 및 에틸실란을 함유하는 이러한 리보일러를 가열하는데 사용된다. 컬럼 압력은 차가운 헵탄 냉동제가 오버헤드 응축기로 흐르는 것에 의해 제어된다.
실란 생성물 컬럼(16B) 오버헤드를 떠나는 실란 증기는 통상적으로 적은 양의 에틸렌(200 ppm 미만)을 함유한다. 에틸렌은 실란에 대하여 0.97의 휘발도를 가지고, 따라서 에틸렌은 증류에 의해 분리되기 어렵다. 에틸렌을 제거하기 위하여, 실란 증기는 4Å 분자체를 함유하는 3개의 패킹 컬럼(17A)을 통과한다. 따라서 에틸렌은 분자체의 기공에 흡착된다. 분자체는 에탄도 제거할 수 있기 때문에, 컬럼(17A)은 실란 생성물 컬럼 작동에서의 혼란에 대한 보호 수단을 제공한다.
탄화수소의 관통 가능성을 방지하기 위하여, 분자체 컬럼은 바람직하게는 직렬로 배치되고, 탄화수소에 관하여 제1 및 제2 컬럼 사이의 흐름이 감시된다. 제1 체 베드가 에틸렌 관통을 나타낼 때, 제1 체 베드는 라인에서 이탈되어 재생된다. 재생 완료시, 새로운 베드가 3차 베드로써 라인 상에 놓여 지고, 사이클은 반복된다.
흡착 컬럼(17A)에서의 실란은 기공 금속 필터를 통과하고, 여기서 분자체로부터의 어떠한 고형 이월물(carryover)뿐만 아니라 다른 미립자 불순물도 걸린다. 필터는 0.3 내지 0.4 미크론의 액체 등급(liquid rating)을 가진다. 증기에 대해서는, 등급이 한 단위 규모(약 0.04 미크론)만큼 더 작다. 흡착기에서의 정제된 실란은 이후 에틸실란 증류 컬럼(17B)으로 흐른다.
연마 컬럼으로도 불리는 소형 증류 컬럼(17B)은 에틸실란을 제거하기 위하여 흡착기와 저장 탱크 사이에 설치된다. 이 컬럼은 약 18.63 kg/㎠로 동작한다. 냉동 헵탄을 사용하는 오버헤드 응축기는 에틸실란을 응축하는데 사용된다. 전기적 가열 스트립은 리보일러 열을 제공한다. 이 컬럼은 구조적 패킹으로 포장된다.
에틸실란 증류 컬럼(17B) 작동은 실란 생성물 컬럼(16B) 작동과 매우 유사하다. 실란 생성물 컬럼과 같이, 저부 흐름이 컬럼 공급에 비해서 매우 작다. 컬럼에서 물질 균형 및 저부 높이를 유지하기 위하여, 오버헤드 생성물이 흐름 제어된다. 실란 생성물 컬럼(16B)에서 이것은 저부에서의 높이를 점진적으로 높이도록 수동으로 조정된다. 자동으로 이러한 조정이 되도록 에틸실란 컬럼에서는 레벨 제어 "캐스캐이드(cascade)" 과정이 추가되었다. 이후 중량체의 저부 조성은 점진적으로 증가할 것이다. 환류 또는 헵탄 냉동제 흐름을 변화시키는 것은 컬럼 압력을 제어한다. 냉동 요구를 감소시키기 위하여 컬럼은 거의 최소 패킹 습윤에서 작동하도록 설계된다. 리보일러 열 입력은 원하는 환류 흐름을 유지하기 위하여 공급 상태(흐름, 온도 및 압력)를 기반으로 조정된다.
컬럼 조성은 실질적으로 순도 실란이기 때문에, 온도는 거의 내내 일정하여 컬럼 특성의 적절한 지표가 아니다(19 kg/㎠에서, 오버헤드 -40℃ 및 저부 -39℃). 대신에 컬럼 오작동은 물질 손실로 인한 컬럼 저부 높이의 편차 및 환류 손실로 인한 패킹 고온에 의해 확인된다. 적합한 패킹 습윤 및 에틸실란 제거는 생성물 분석 연구 및 열 균형 추산에 의해 확인된다. 인라인 오버헤드 샘플 지점은 GC 분석으로 추가될 수 있다. 저부 분석은 매우 적은 흐름으로 인하여 수동 샘플링을 요구할 수 있다.
정제된 실란은 런다운 탱크(rundown tank)(도시되지 않음)를 거쳐 저장 탱크(20)에 저장된다. 런다운 탱크는 자신의 응축기를 가질 것이다. -54℃에서의 냉동 헵탄은 이러한 응축기 상에 바람직한 냉매지만, 어떠한 냉각제도 사용될 수 있다. 실란은 런다운 탱크에 18.3 kg/㎠ 및 -39℃로 저장된다. 런다운 탱크로부터 저장 탱크로의 실란의 이송은 차압에 의해 발생된다. 런다운 탱크는 최초에 18.3 kg/㎠인 반면에 저장 탱크는 약 4.57 kg/㎠이다.
액체 실란은 딥 레그(dip leg)를 통하여 런다운 탱크로부터 흘러나온다. 런다운 탱크에서의 높이가 떨어지면서, 압력은 이송의 말미에 약 9.84 kg/㎠로 계속해서 떨어진다. 저장 탱크에서의 압력은 이송 동안에 약 5.98 kg/㎠으로 상승하도록 된다. 이것은 저장 탱크로 유입하는 따뜻한 실란용 열 싱크를 제공한다. 실란 액체는 실란 저장 탱크를 떠나서 냉동 헵탄을 사용하여 기화된다. 기화된 실란은 대기의, 팬 구동의, 핀형 튜브 가열기에서의 주위 온도 미만인 7 내지 12℃ 내로 데워진다. 팬은 가열기 튜브 위로 공기를 날려서 열 전달률을 향상시킨다. 핀형 튜브 가열기에서의 실란은 지멘스 반응기(5) 내로 다시 흐른다.
실란 저장 탱크는 플레어로 완화시키는 압력 안전 밸브에 의해 과압으로부터 보호된다. 실란 저장 탱크의 최악의 상태는 런다운 탱크로부터 실란이 돌발적으로 과충전되는 것으로부터 발생된다. 플레어로 완화될 때, 액체 실란은 획 지나가서 플레어헤더를 냉각시킬 것이다. 실란의 정상 끓는점은 -112℃이기 때문에, 실란은 탄소강 플레어 헤더로 유입할 수 있기 전에, -28.9℃ 초과하여 가열되어야 한다. 열은 실란 저장 탱크를 떠나는 플레어 라인에 설치된 증기 가열 다수 튜브 헤어핀 열 교환기에 의해 제공된다.
분리된 수소 가스 흐름은 넉아웃 드럼(13)의 상부에서 배출되고, 선택적인 데미스터(demister)(분리하여 도시되지 않음)를 통해 흐르고, 바람직하게 직렬로 작동하는 흡착 베드(도시되지 않음)를 통과한다. 바람직한 실시예에서, 흡착 베드는 탄소 베드이다. 아르곤, 탄소 화합물(주로 메탄), 미응축 실란, 붕소 및 인 화합물과 같은 수소 가스에서의 불순물은 전형적으로 제1 탄소 베드 내에 보유된다.
흡착 베드는 일반적으로 반응기에서의 실란의 전환율 및 교환기에서의 실란 응축율에 의해 영향받는 재생 시간 동안 재생(압력 및 온도 스윙법을 사용)된다. 바람직한 실시예에서, 재생 컬럼은 줄지어 배열되고, 다른 컬럼의 하류를 이어받아 새로이 재생된 컬럼이 배열에서 마지막 컬럼이 되어 마지막 컬럼이 재활용 가스와 접촉하게 된다. 이러한 재생 설계가 이용된다면, 이후에 2차 흡착 베드는 라인에서 이탈되어 재생될 수 있다.
흡착 베드에서 배출되는 정제된 수소는 -170 내지 -175℃ 사이의 온도를 가지고, 이후에 1 미크론 절대 또는 그 이하의 가스 등급을 가지는 극저온 필터(도시되지 않음)를 통과하여, 정제된 수소 흐름을 제공하기 위해 흡착 베드로부터의 임의의 미립자를 트랩한다. 정제된 수소 흐름은 이후에 열교환기(10)의 튜브 측을 통과함으로써 25 내지 30℃ 사이의 온도로 가열된다. 고순도 수소의 최종 여과는 0.1 내지 0.04 미크론 크기의 분자체 요소를 포함하는 재활용 수소 필터(도시되지 않음)에서 이루어진다. 이렇게 두 번째 여과되고 정제된 수소 흐름은 반응기(5)로 돌아가 재활용된다.
수소 공급 시스템은 재활용 압축기가 셧다운될 경우 또는 재활용 과정에서 누설 손실이 발생하는 동안 보충(make-up) 수소로서 반응기(5)에 수소를 공급하는 수소 소스이다. 수소 공급 시스템은 압축기 작동을 복구하거나 또는 압축기 작동이 고장난 경우 순차적으로 반응기를 셧다운하기에 충분한 시간을 제공하도록 설계된다.
전형적인 열 전달 유체 시스템(도 2)은 CVD 폴리실리콘 로드 예열로 열을 제공하고, 동시에 재순환을 거쳐 재킷 상에 온도를 유지한다. 표 2는 도 2에서 기술된 구성을 나열한다. 또한, 이것은 실란 및 수소를 공급 온도로 예열하기 위하여 열을 제공한다. 열 전달 유체는 저장 드럼(33)으로부터 전달된다. 여기에 사용된 열 전달 유체는 다우 케미컬(DOW chemical)에서 제조된 실섬 800(Syltherm 800)(고 안정의 장기 지속하는 실리콘 열 전달 유체)이었지만, 임의의 동등한 유체도 사용될 수 있다.
도면부호 명칭
31 열 교환기
32 필터
33 가열 매체 저장부
34 반응기 교환기
35 가스 예열기
36 벤트 냉각기(Vent Cooler)
저장 드럼은 오일 증기를 저장 드럼으로 다시 넉백(knock back)하기 위하여 벤트 냉각기(36)를 갖춘다. 오일은 반응기 재킷(34)으로 펌프되고, 여기서 입구 온도는 약 270℃로 유지되고, 출구 온도는 순환 및 열 교환기(31)에 의해서 330℃를 초과하지 않도록 유지된다. 열 교환기(31)는 온도가 설정 제한치를 초과할 때마다 작동할 것이다. 열 전달 유체는 또한 예열기(35)에서의 공급 가스의 온도로 유지된다. 본 시스템의 장점은 자급 자족 에너지(어떠한 열 공급이 필요하지 않음)이고, 필요하다면 과잉 이용가능한 에너지가 제거된다는 것이다.
도 3에 실란 불순물 분리를 위한 전형적인 냉각 시스템(질소)이 도시되어 있다. 이하 표 3은 도 3에 도시된 시스템의 구성의 명칭을 제공한다. 액체 질소는 극저온 필터(22)를 통과하여 가스 필터(23)로 흘러갈 수 있고, 이어서 수소와 응축 가능한 가스를 분리하기 위한 실란 응축기(24)로 흘러갈 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 액체 질소는 냉각에 사용될 수 있고 냉매로서 재활용 수소 냉각기(도시되지 않음) 및 수소 재생 냉각기(26)를 통해 흐르게 된다. 질소 오프 가스는 이후에 데워져서 벤트(vent)로 배출되며, 먼저 벤트 히터(28)를 통과하거나 또는 압축기(27)로 재활용된다.
도면부호 명칭
21 액체 질소 저장부
22 필터
23 가스 필터
24 실란 응축기
25 재활용 수소 냉각기
26 수소 재생 냉각기
27 압축기
28 벤트 히터

Claims (12)

  1. 개선된 CVD-지멘스(Siemens) 반응기 시스템으로서,
    상기 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템은 모노실란(monosilane), 수소 회수 및 재활용 시스템을 포함하고,
    미반응된 모노실란, 수소 및 불순물을 포함하는, CVD 지멘스 반응기에서의 고온 반응기 가스는, 정제된 모노실란, 별개의 수소 흐름 및 별개의 불순물을 생성하기 위하여, 냉각되고, 여과, 흡착 및 분별 증류에 의해 정제되고,
    상기 별개의 수소 흐름은 냉각되고, 정제된 수소 흐름을 생성하기 위하여 더욱 냉각되고 정제되고,
    냉각되고 정제된 상기 수소 흐름과 상기 고온 반응기 가스 사이의 역류 열 교환기가 상기 CVD 지멘스 반응기에서 상기 고온 반응기 가스를 냉각시키고,
    정제된 상기 모노실란은 제1 압축기로 압축되어 다시 상기 CVD 지멘스 반응기 내로 공급되고,
    정제된 상기 수소 흐름은 제2 압축기로 압축되어, 상기 역류 열 교환기에 사용된 후에 다시 상기 CVD 지멘스 반응기 내로 공급되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압축기 또는 상기 제2 압축기는 2-스테이지(two-stage)의, 비윤활 방식(nonlubricated)이고, 균형-대향된(balanced-opposed), 왕복 운동하는 압축기인, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모노실란 및 상기 불순물을 응축하기 위하여 상기 고온 반응기 가스는 -170℃ 내지 -180℃의 온도로 냉각되고, 응축된 상기 모노실란은 상기 CVD 지멘스 반응기 내로 재활용되거나 또는 추가 정제되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    응축된 상기 모노실란은 경량 불순물을 제거하기 위하여 탈기 컬럼(degasser column)을 통과하고, 그리고 중량 불순물을 제거하고 모노실란 증기를 생성하기 위하여 중량 성분 정제 컬럼을 통과하는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 탈기 컬럼은 구조적 패킹 물질로 포장되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 모노실란 증기는 에틸렌을 제거하기 위하여 4Å 분자체를 함유하는 하나 이상의 흡착 컬럼을 통과하는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡착 컬럼은 직렬로 작동되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡착 컬럼으로부터 도출하는 모노실란은 선택적으로 여과되고, 정제된 모노실란으로부터 에틸실란(ethylsilane)을 증류하기 위하여 그 후에, 마감 컬럼으로 이동되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    정제된 모노실란은 액체로 저장되고, 그 후에 가열되고 재활용되거나 또는 즉시 재활용되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 모노실란의 99.5% 초과량이 상기 CVD 지멘스 반응기에서 반응되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 모노실란의 100%가 상기 CVD 지멘스 반응기에서 반응되는, 개선된 CVD-지멘스 반응기 시스템.
  12. CVD 지멘스 반응기용 모노실란 및 수소 재활용 시스템으로서,
    CVD 지멘스 반응기에서의 고온 반응기 가스는 냉각되고 정제되며, 상기 고온 반응기 가스는 미반응된 모노실란, 수소 및 불순물을 포함하고,
    상기 수소는 냉각되고 정제된 수소 흐름을 생성하기 위하여 하나 이상의 용이 지점으로 보내지고, 정제되어 더욱 냉각되고,
    상기 모노실란 및 상기 불순물을 응축하기 위하여 상기 고온 반응기 가스는 -170℃ 내지 -180℃의 온도로 더욱 냉각되고,
    응축된 상기 모노실란 및 상기 불순물은 경량 불순물을 제거하기 위하여 탈기 컬럼을 통과하고, 이후에 중량 불순물을 제거하고 모노실란 증기를 생성하기 위하여 중량 성분 정제 컬럼을 통과하고,
    상기 모노실란 증기는 에틸렌을 제거하기 위하여 4Å 분자체를 함유하는 흡착 컬럼을 통과하고,
    상기 흡착 컬럼으로부터 도출하는 모노실란은 선택적으로 여과되고, 정제된 모노실란으로부터 에틸실란을 증류하기 위하여 마감 컬럼으로 이동되고,
    정제된 모노실란은 액체로 선택적으로 저장되고, 그 후에 사용 전에 가열되고,
    냉각되고 정제된 상기 수소 흐름과 상기 고온 반응기 가스 사이의 역류 열 교환기가 상기 CVD 지멘스 반응기에서 상기 고온 반응기 가스를 냉각시키고,
    정제된 상기 모노실란은 제1 압축기로 선택적으로 압축되어 다시 상기 CVD 지멘스 반응기 내로 공급되고,
    정제된 상기 수소 흐름은 제2 압축기로 선택적으로 압축되어, 상기 역류 열 교환기에 사용된 후에 다시 상기 CVD 지멘스 반응기 내로 공급되는, CVD 지멘스 반응기용 모노실란 및 수소 재활용 시스템.
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