KR20120074628A

KR20120074628A - 실리콘 내 불순물 제거방법 및 그 제거장치

Info

Publication number: KR20120074628A
Application number: KR1020100136525A
Authority: KR
Inventors: 석성호; 김종호; 이병필; 이규창; 박준표; 김명균
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-06
Also published as: KR101287874B1

Abstract

본 발명은 실리콘을 용융 상태로 유지시키면서 반복적인 가열 및 냉각 과정없이 실리콘 내의 붕소(B) 및 인(P)을 포함하는 불순물들을 효과적으로 제거할 수 있는 실리콘 내 불순물 제거방법 및 그 제거장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법은 실리콘 원료를 용융시키고, 용융상태의 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계; 상기 용융상태의 실리콘을 10^-6~ 10^-5 torr의 압력에서 1600 ~ 1700 ℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계; 및 상기 용융상태의 실리콘을 상압에서 1500 ~ 1550℃의 온도로 유지하면서 슬래그 정제를 수행하는 단계;를 포함한다.

Description

실리콘 내 불순물 제거방법 및 그 제거장치{METHOD FOR REMOVING IMPURITIES IN SILICON AND APPARATUS THEREOF}

본 발명은 실리콘 원료 내에 존재하는 불순물을 제거하기 위한 방법 및 그 제거장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘을 용융 상태로 유지시키면서 실리콘 내의 붕소(B) 및 인(P)을 포함하는 불순물들을 효과적으로 제거할 수 있는 실리콘 내 불순물 제거방법 및 그 제거장치에 관한 것이다.

최근 환경 오염을 발생시키는 화석 에너지를 대체할 수 있는 친환경 에너지, 특히 태양 에너지의 이용에 대한 연구가 활발하게 이루어짐에 따라, 태양 에너지를 전력으로 변환하기 위한 태양 전지에 대한 연구 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다.

일반적으로 태양전지는 순도 6 ~ 7N(99.9999 ~ 99.99999%)의 고순도 금속실리콘을 이용하여 제조된다. 이러한 고순도의 실리콘을 생산하기 위한 방법으로 소위 지멘스(Siemens)법이라고 명명되는 제조방법이 알려져 있다. 상기 지멘스(Siemens)법은 매우 오랫동안 실시되고 검증된 기술으로 우수한 품질의 고순도 실리콘을 생산할 수 있는 방법이다.

그러나, 최근 태양전지 시장의 급격한 확대에 따라 공급 시장에서 요구하는 가격에 대해서는 전혀 대응할 수 없는 결점을 가진다. 즉, 상기 지멘스법에 의해서 생산된 실리콘의 품질은 태양전지를 구현하기 위해 요구되는 품질보다 더 고품질이기는 하나 그에 따라 가격이 매우 높은 단점이 있다.

또한, 지멘스법은 생산 원리상 생산시 염산(HCl), 삼염화실란(SiHCl₃), 수소(H₂)가 필요하며, 생산 과정에서 사염화실란(SiCl₄)을 발생시키는 문제점도 있다. 따라서 지멘스법에서 요구되는 생산 재료나 생산 과정에서 발생하는 부산물들은 유해하고 폭발 위험성이 있으며, 친환경적인 측면에서 볼 때에도 적합하지 못하다.

한편, 전술한 지멘스법을 대체하는 실리콘 내 불순물 제거 기술로서 전자빔(Electron Beam) 처리법, 플라즈마(Plasma) 처리법, 리칭(Leaching) 방법, 일방향 응고법 등을 혼용하는 기법이 알려져 있다.

그러나 이러한 대체 기법은 여러가지 공정을 불연속적으로 배치하므로 실리콘의 용융을 위한 가열 과정과 실리콘의 고화를 위한 냉각 과정을 반복하여야 한다. 이에 따라, 실리콘 내 불순물 제거 공정의 효율이 저하된다. 또한, 다양한 기법의 처리 과정을 수행하기 위한 설비 제작에 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 실리콘을 용융 상태로 유지시키면서 반복적인 가열 및 냉각 과정없이 실리콘 내의 붕소(B) 및 인(P)을 포함하는 불순물들을 효과적으로 제거할 수 있는 실리콘 내 불순물 제거방법 및 그 제거장치를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법은 실리콘 원료를 용융시키고, 용융상태의 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계; 상기 용융상태의 실리콘을 10^-6~ 10^-5 torr의 압력에서 1600 ~ 1700 ℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계; 및 상기 용융상태의 실리콘을 상압에서 1500 ~ 1550℃의 온도로 유지하면서 슬래그 정제를 수행하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 슬래그 정제 단계는 슬래그 정제가 수행된 실리콘을 1000 ~ 1100℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계를 더 포함한다.

또한, 상기 슬래그 정제 단계는 SiO₂, CaO, CaF₂, Al₂O₃ 중 적어도 하나의 물질을 상기 용융상태의 실리콘에 혼합하도록 구성된다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 내 불순물 제거장치는, 챔버와, 상기 챔버의 내부에 설치되고, 용해될 실리콘 원료가 저장되는 도가니와, 상기 도가니의 주변에 설치되고, 상기 도가니 내에 저장된 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도가 되도록 고속 가열하는 전자기 유도식 가열기와, 상기 도가니에 실리콘 정제용 슬래그를 투입하기 위해 형성된 슬래그 공급 튜브를 포함한다.

또한, 상기 챔버는 내부가 진공인 상태에서 슬래그 정제가 수행될 수 있도록 밀폐 구성된다.

상기 챔버에는 외부로부터 기체를 공급하거나 외부로 기체를 배출하기 위한 통로가 구비된다.

본 발명에 따르면, 실리콘 내 불순물을 제거하는 과정에서 실리콘에 대한 가열 및 냉각과정을 빈번하게 수행할 필요가 없이 용융된 상태의 실리콘에 대해 불순물 제거 공정을 적용할 수 있으므로, 불순물 제거 효율을 증가 시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 전자빔 처리법이나 플라즈마 처리법과 같이 별도의 처리를 수행하기 위한 설비가 필요하지 않으므로 설비 구현에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거장치을 적용하기 위한 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거장치의 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거장치을 적용하기 위한 장치의 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법을 적용하기 위한 실리콘 정제장치는, 챔버(10) 내에 위치한 도가니(11)와 도가니 주변에 배치된 전자기 유도식 가열기(12) 및 챔버(10)의 외부로부터 도가니(11) 내로 실리콘 정제용 슬래그를 투입하기 위한 슬래그 공급 튜브(13)를 포함할 수 있다.

챔버(10) 내에 위치된 도가니(11)는 전자기 유도식 가열기(12)에 의해 가열되는 것이 바람직하다. 실리콘 원료는 도가니(11) 내로 장입되고, 가열기(12)에 의해 도가니(11)를 가열함으로써 용융 상태의 실리콘(20)이 제조된다. 전자기 유도식 가열기(12)를 사용하면 실리콘 원료를 1450 ~ 1600℃의 정제 온도로 빠르게 가열하여 용해시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전자기 유도의 특성상 용융상태의 실리콘에 대한 교반 작용을 일으켜 실리콘 용해 후에 흄 제거 및 진공처리의 효율을 향상시켜 준다.

또한, 산화하기 쉬운 실리콘의 재산화 및 오염 문제를 고려하여 용해시 대기 중인 아닌 진공 상태에서 정제 공정을 수행하는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 챔버(10)는 내부가 진공인 상태에서 슬래그 정제가 수행될 수 있도록 밀폐 구성된다.

또한, 상기 챔버(10)의 외부로부터 실리콘 정제용 슬래그가 투입될 수 있도록 슬래그 공급 튜브(13)가 형성된다. 이 슬래그 공급 튜브(13)에서 공급되는 슬래그에 의해 붕소 및 기타 불순물 제거와 같은 정제 공정이 수행된다.

또한, 상기 챔버(10)에는 기체 공급 및 기체 배출을 위한 통로가 더 구비된 것이 바람직하다. 이러한 기체 공급 및 기체 배출 통로를 통해 가열 및 정제 중에 챔버(10) 내부의 분위기나 압력이 제어될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법의 흐름도이다. 상기 도 1에 도시된 제거장치에 의해 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법을 도 2와 같이 수행할 수 있다.

먼저, 본 발명의 일실시형태에 따른 실리콘 내 불순물 제거방법은 실리콘 원료, 즉 분말 또는 펠릿 상태의 실리콘을 도가니(11)에 장입하는 것에서부터 시작된다(S21). 도가니(11) 주변에 설치된 전자기 유도식 가열기(12)는 도가니(11)를 고속 가열시켜 도가니(11) 내에 장입된 실리콘 원료를 용융시킨다.

이어, 전자기 유도식 가열기(12)는 도가니(11) 내에 용융된 실리콘 원료를 용융시키고, 용융상태의 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지한다(S22). 이와 같이, 실리콘의 융점(1420℃)보다 높은 온도까지 실리콘을 가열한 상태를 일정 시간 유지함으로써 용융상태의 실리콘으로부터 흄(fume)을 제거할 수 있다.

이때, 온도가 1450℃ 미만인 경우에는 실리콘 중으로부터 흄(Fume)의 제거가 원활히 일어나지 않을 가능성이 있으며, 온도가 1600℃를 초과하면 에너지 효율에 문제가 발생할 수 있다. 또한, 유지 시간이 1 시간 미만이면 도가니(11)의 하부로부터 흄(Fume) 발생 원인이 되는 원소의 표면으로의 이동이 어려우며, 2시간을 초과하면 흄 제거가 효과는 포화되나 에너지 비용이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.

이어, 흄이 제거된 용융상태의 실리콘을 10^-6~ 10^-5 torr의 압력에서 1600 ~ 1700 ℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지한다(S23). 10^-6~ 10^-5 torr의 압력은 실질적인 진공 상태에 대응되는 것으로서, 이보다 더 낮은 압력으로 진공을 유지하는 경우에는 열손실이 발생할 수 있고, 이보다 높은 압력에서는 정제 효과가 저하된다.

상기 1600 ~ 1700 ℃의 온도 범위 및 1 ~ 2 시간의 유지 시간은 정제 과정의 열 효율과 정제 효율을 종합적으로 고려하여 정해진 범위이다.

상기 전자기 유도식 가열기(12)는 도가니(11) 내에 유지된 용융상태 실리콘이 진공 중에서 가열되면서 대류작용이 일어나게 함으로써, 용융상태 실리콘의 내부에 있던 인(P) 등과 같이 증발이 쉬운 금속 또는 비금속들이 용융상태의 실리콘으로 밀려나와 쉽게 제거될 수 있도록 해주는 효과가 있다.

상기 용융상태의 실리콘을 상압에서 1500 ~ 1550℃의 온도로 유지하면서 슬래그 정제를 수행한다(S24). 즉, 챔버(10) 내의 압력은 상압으로 변경되고, 전자기 유도식 가열기(12)는 용융 실리콘의 온도를 실리콘의 융점과 가까운 1500 ~ 1550℃ 범위로 유지시켜 주는 상태에서 슬래그 공급 튜브(13)를 통해 용융 상태의 실리콘에 슬래그를 투입한다.

정제 온도가 1500℃ 보다 낮으면 슬래그의 용융 효과가 떨어져 정제 효율을 저하시키고, 정제 온도가 1550℃ 보다 높으면 정제용 슬래그의 보온 효과를 감안할 때 에너지 효율이 저하된다.

상기 실리콘 정제용 슬래그로는 실리콘을 오염시킬 가능성이 낮은 고순도 SiO₂, CaO, CaF₂, Al₂O₃ 중 적어도 하나의 물질이 사용된다.

실리콘의 융점에 가까운 온도에서 정제를 실행하는 것이 양호하므로, 슬래그 원재료에 첨가제를 첨가함으로써 슬래그의 융점 및 점성을 저하시킬 수도 있다. 이러한 첨가제의 예는 붕소를 저비점 화합물로 변화시킴으로써 증발에 의해 붕소를 제거하여, 슬래그에 높은 기능성을 제공할 수 있는 탄산나트륨과 같은 산화제를 포함한다.

산화제 이외의 다른 첨가제를 첨가하는 것도 가능하다. 이러한 첨가제는 정제에 대한 온화한 반응 속도를 달성하기 위해, CaO를 포함할 수 있다.

상기 슬래그는 실리콘 내에 포함되었던 붕소와 반응함으로써 실리콘에 포함된 붕소를 제거할 수 있다.

마지막으로, 급격한 실리콘의 냉각을 회피하기 위해 상기 슬래그 정제 단계는 슬래그 정제가 수행된 실리콘을 1000 ~ 1100℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 어닐링 단계를 더 포함할 수 있다(S25). 이러한 어닐링 과정을 통해 고순도의 고체 실리콘이 생성된다.

이때, 어닐링 온도가 1000℃ 보다 낮으면 이미 실리콘의 응고가 진행되어 상온까지 냉각한 후 실리콘의 표면에 크랙이 발생할 수 있으며, 어닐링 온도가 1100℃보다 높으면 어닐링 효과가 일어나지 않을 가능성이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 실리콘 내 불순물을 제거하는 과정에서 실리콘에 대한 가열 및 냉각과정을 빈번하게 수행할 필요가 없이 용융된 상태의 실리콘에 대해 불순물 제거 공정을 적용할 수 있으므로, 불순물 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 전자빔 처리법이나 플라즈마 처리법과 같이 별도의 처리를 수행하기 위한 설비가 필요하지 않으므로 설비 구현에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 정제로 11: 도가니
12: 전자기 유도식 가열기 13: 슬래그 공급 튜브
20: 실리콘(용융상태)

Claims

실리콘 원료를 용융시키고, 용융상태의 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계;
상기 용융상태의 실리콘을 10^-6~ 10^-5 torr의 압력에서 1600 ~ 1700 ℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계; 및
상기 용융상태의 실리콘을 상압에서 1500 ~ 1550℃의 온도로 유지하면서 슬래그 정제를 수행하는 단계;를 포함하는 실리콘 내 불순물 제거방법.
청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 정제 단계는 슬래그 정제가 수행된 실리콘을 1000 ~ 1100℃의 온도로 1 ~ 2 시간 동안 유지하는 단계를 더 포함하는 실리콘 내 불순물 제거방법.
청구항 1에 있어서,
상기 슬래그 정제 단계는 SiO₂, CaO, CaF₂, Al₂O₃ 중 적어도 하나의 물질을 상기 용융상태의 실리콘에 혼합하는 것을 특징으로 하는 실리콘 내 불순물 제거장치.
챔버(10)와,
상기 챔버(10)의 내부에 설치되고, 용해될 실리콘 원료가 저장되는 도가니(11)와,
상기 도가니(11)의 주변에 설치되고, 상기 도가니(11) 내에 저장된 실리콘을 1450 ~ 1600℃의 온도가 되도록 고속 가열하는 전자기 유도식 가열기(12)와,
상기 도가니(11)에 실리콘 정제용 슬래그를 투입하기 위해 형성된 슬래그 공급 튜브(13)를 포함하는 실리콘 내 불순물 제거장치.
청구항 4에 있어서,
상기 챔버(10)는 내부가 진공인 상태에서 슬래그 정제가 수행될 수 있도록 밀폐되는 것을 특징으로 하는 실리콘 내 불순물 제거장치.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 챔버(10)에는 외부로부터 기체를 공급하거나 외부로 기체를 배출하기 위한 통로(14)가 구비된 것을 특징으로 하는 실리콘 내 불순물 제거장치.