KR20130019568A - 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법 - Google Patents

폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130019568A
KR20130019568A KR1020110081596A KR20110081596A KR20130019568A KR 20130019568 A KR20130019568 A KR 20130019568A KR 1020110081596 A KR1020110081596 A KR 1020110081596A KR 20110081596 A KR20110081596 A KR 20110081596A KR 20130019568 A KR20130019568 A KR 20130019568A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
jacket
reaction gas
polysilicon
base plate
silicon
Prior art date
Application number
KR1020110081596A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101279414B1 (ko
Inventor
강승오
박성은
이욱준
박종훈
Original Assignee
(주)세미머티리얼즈
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)세미머티리얼즈 filed Critical (주)세미머티리얼즈
Priority to KR1020110081596A priority Critical patent/KR101279414B1/ko
Publication of KR20130019568A publication Critical patent/KR20130019568A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101279414B1 publication Critical patent/KR101279414B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/24—Deposition of silicon only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber
    • C23C16/45563—Gas nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/46—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for heating the substrate
    • C23C16/463—Cooling of the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02532—Silicon, silicon germanium, germanium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 폴리실리콘 제조장치는, 외부로부터 인가된 전류에 의해 증착온도로 가열되며, 표면에 폴리실리콘이 증착되는 하나 이상의 실리콘 필라멘트; 상기 실리콘 필라멘트의 길이방향을 따라 배치되어 상기 실리콘 필라멘트를 둘러싸는 자켓; 상기 자켓의 내부에 캐리어 가스를 공급하는 하나 이상의 캐리어가스 노즐; 그리고 상기 자켓의 외부에 반응가스를 공급하는 하나 이상의 반응가스 노즐을 포함한다.

Description

폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING POLYCRYSTALLINE SILICON AND METHOD FOR MANUFACTURING POLYCRYSTALLINE}
본 발명은 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 필라멘트의 표면에 폴리실리콘을 증착하는 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법에 관한 것이다.
폴리실리콘(polycrystalline silicon)(또는 다결정 실리콘)은 반도체나 태양광 산업에서 주원료로 사용되며, 쿼츠나 모래 등을 카본과 환원반응시켜 금속급 실리콘을 만든 후, 다시 추가적인 정제과정을 거쳐 태양전지 기판의 원료(SoG-Si)로 사용되거나, 11N 이상의 폴리실리콘은 반도체 웨이퍼 제조용 단결정 원료(EG-Si)로 사용된다. 폴리실리콘 제조 산업은 반도체, 태양광 발전 외에도 정밀화학/소재, 광통신, 유기실리콘 등의 산업들과 밀접한 관련이 있다.
금속급 폴리실리콘의 정제 방법으로는 크게 종형 반응기(BELL-JAR TYPE REACTOR)를 사용하는 지멘스(Siemens)법과, 유동층(Fluidized bed)법, VLD(Vapor-to-Liquid Deposition) 방식과 금속급 실리콘을 직접 정제하는 방법 등이 있다.
지멘스(Siemens)법은 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 방법이다. 이 방법은 수소와 혼합된 반응가스, 예컨대 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)을 열분해하여 실리콘 필라멘트에 증착시켜 고순도의 폴리실리콘을 제조하는 것이다. 이 방법은 실리콘 필라멘트에 전류를 인가하여 실리콘 필라멘트를 가열하는 과정을 거친다. 실리콘은 상온에서 전기 저항이 매우 크기 때문에 도전성이 낮으나, 실리콘 필라멘트를 가열하면 전기 저항이 대폭적으로 낮아지므로 도전성이 향상된다. 반응가스인 염화실란(chlorosilane)이나 모노실란(monosilane)은 복수의 가스 노즐을 이용하여 실리콘 필라멘트에 공급된다.
한국등록특허공보 10-1039659호 2011. 06. 08.
본 발명의 목적은 고순도의 폴리실리콘을 제조할 수 있는 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부한 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 폴리실리콘 제조장치는, 외부로부터 인가된 전류에 의해 증착온도로 가열되며, 표면에 폴리실리콘이 증착되는 하나 이상의 실리콘 필라멘트; 상기 실리콘 필라멘트의 길이방향을 따라 배치되어 상기 실리콘 필라멘트를 둘러싸는 자켓; 상기 자켓의 내부에 캐리어 가스를 공급하는 하나 이상의 캐리어가스 노즐; 그리고 상기 자켓의 외부에 반응가스를 공급하는 하나 이상의 반응가스 노즐을 포함한다.
상기 캐리어가스 노즐은 상기 자켓의 상부를 향해 상기 캐리어 가스를 분사하며, 상기 반응가스 노즐은 하향경사진 상태로 상기 반응가스를 분사할 수 있다.
상기 폴리실리콘 제조장치는, 베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 연결되어 반응공간을 형성하는 쉘을 더 포함하며, 상기 자켓은 상기 베이스 플레이트의 바닥면으로부터 이격되어 설치될 수 있다.
상기 폴리실리콘 제조장치는, 상기 베이스 플레이트를 관통하도록 상기 자켓의 하부에 설치되며, 외부로부터 상기 전류가 인가되는 전극; 그리고 상기 전극에 연결되며, 상기 실리콘 필라멘트의 하단이 연결되는 척을 더 포함할 수 있다.
상기 폴리실리콘 제조장치는, 베이스 플레이트; 그리고 상기 베이스 플레이트의 상부에 연결되어 반응공간을 형성하며, 외부로부터 공급된 열전달유체가 흐르는 냉각자켓을 구비하는 쉘을 더 포함하며, 상기 반응가스 노즐은 상기 베이스 플레이트의 외곽부를 따라 설치되어 상기 쉘의 내측면을 향해 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 외곽부 가스노즐을 구비할 수 있다.
상기 폴리실리콘 제조장치는 상기 자켓 내에 열전달유체를 공급하여 상기 자켓을 상기 증착온도보다 낮은 예열온도로 가열하는 열전달유체 공급라인을 더 포함하며, 상기 반응가스 노즐은 상기 자켓의 외측면을 향해 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 중심부 가스노즐을 구비할 수 있다.
상기 실리콘 필라멘트 및 상기 자켓은 기립된 상태로 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 실리콘 필라멘트를 증착온도로 가열한 상태에서 상기 실리콘 필라멘트의 표면에 폴리실리콘을 증착하는 폴리실리콘 제조방법은, 상기 실리콘 필라멘트의 둘레에 자켓을 설치하고, 상기 자켓의 내부에 캐리어 가스를 공급하며 상기 자켓의 외부에 반응가스를 공급하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반응가스는 하향경사진 상태로 분사될 수 있다.
상기 방법은, 베이스 플레이트의 상부에 쉘을 연결하여 상기 증착이 이루어지는 반응공간을 형성하며, 상기 자켓을 상기 베이스 플레이트의 바닥면으로부터 이격되어 설치할 수 있다.
상기 방법은, 베이스 플레이트의 상부에 쉘을 연결하여 상기 증착이 이루어지는 반응공간을 형성하며, 상기 쉘을 상기 증착온도보다 낮은 온도로 냉각한 상태에서 상기 반응가스를 상기 쉘의 내측면에 분사할 수 있다.
상기 방법은, 상기 자켓을 상기 증착온도보다 낮은 온도로 냉각한 상태에서 상기 반응가스를 상기 자켓의 외측면에 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 고순도의 폴리실리콘을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 중심부 가스노즐을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 주위에서 발생하는 반응가스의 유동 해석을 나타내는 사진이다.
도 4는 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 주위에서 발생하는 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 및 반응가스 노즐의 배치를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도 1 내지 도 5를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 폴리실리콘 제조장치는 베이스 플레이트(1) 및 쉘(3)을 구비하는 반응기를 포함한다. 베이스 플레이트(1)는 원형 플레이트일 수 있으며, 쉘(3)은 베이스 플레이트(1)의 상부에 연결되어 반응공간(30)을 제공한다. 쉘(3)은 벨(bell) 형상일 수 있으며, 하단에 형성된 플랜지부를 통해 베이스 플레이트(1)에 고정될 수 있다. 실링부재(도시안함)(예를 들어, O-RING)는 쉘(3)과 베이스 플레이트(1) 사이에 설치되어 반응공간(30)을 외부로부터 밀폐할 수 있다.
쉘(3)은 중공형의 냉각자켓(4)을 구비할 수 있으며, 외부로부터 공급된 열전달유체가 냉각자켓(4)의 내부를 순환할 수 있다. 쉘(3)은 입구(4a) 및 출구(4b)를 가지며, 열전달유체는 입구(4a)를 통해 냉각자켓(4)의 내부에 유입된 후, 출구(4b)를 통해 외부로 유출된다. 후술하는 반응가스가 쉘(3)의 표면에서 분해되는 것을 방지하기 위해 베이스 플레이트(1) 및 쉘(3)은 대략 70℃ 이하로 온도를 유지할 필요가 있으며, 열전달유체를 통해 쉘(3)의 온도를 조절할 수 있다. 또한, 쉘(3)은 윈도우(도시안함)를 구비할 수 있으며, 윈도우는 사이트 글라스(sight glass) 또는 증착 두께 측정에 사용될 수 있다.
또한, 쉘(3)은 중앙에 형성된 배출포트(5)를 구비하며, 반응공간(30) 내부의 부산물(byproduct) 또는 미반응가스(unreactant gas), 실리콘 미세먼지는 배출포트(5)를 통해 외부로 배출된다. 배기라인(7)은 배출포트(5)에 연결되며, 배기라인(7) 상에는 배기밸브(7a) 및 배기펌프(7b)가 설치된다.
폴리실리콘 제조장치는 필라멘트 모듈(18)을 더 포함한다. 필라멘트 모듈(18)은 전극(9)과 척(34), 그리고 실리콘 필라멘트(28)와 실리콘 브릿지(29)를 구비한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 실리콘 필라멘트(28)는 그라파이트(graphite) 재질의 척(34)에 고정되며, 기립된 상태로 설치된다. 실리콘 필라멘트(28)는 대략 7㎜ 직경 × 2m 길이일 수 있으며, 이와 다른 직경 및/또는 길이를 가질 수 있다. 후술하는 반응가스는 실리콘 필라멘트(28) 상에 증착되며, 이를 통해 폴리실리콘 로드(19)가 생성된다. 실리콘 브릿지(29)는 한 쌍의 실리콘 필라멘트(28)의 상단을 연결한다.
전극(9)은 베이스 플레이트(1)를 관통하여 설치될 수 있으며, 전극(9)은 세라믹 절연체(도시안함)에 둘러싸여 절연될 수 있다. 실리콘 필라멘트(28)는 척(34)을 통해 전극(9)에 연결된다. 전극(9)은 별도의 전력공급부(도시안함)에 연결될 수 있며, 전극(9)을 통해 실리콘 필라멘트(28)에 전류를 인가함으로써 실리콘 필라멘트(28)를 실리콘 증착 온도로 가열할 수 있다. 실리콘 필라멘트(28)는 600℃ 내지 1200℃ 범위에서 실리콘 증착 온도로 가열될 수 있다.
폴리실리콘 로드(19)가 실리콘 필라멘트(28) 상에 성장할 때, 실리콘 필라멘트(28)에 인가되는 전력 레벨은 폴리실리콘 로드(19)의 표면 온도를 기초로 하여 조절될 수 있으며, 이를 통해 실리콘 필라멘트(28)의 온도는 자동적으로 유지될 수 있다. 실리콘 필라멘트(28)의 온도를 감지하기 위하여 비접촉식 파이로미터(pyrometer)(도시안함)가 사용될 수 있다.
필라멘트 모듈(18)은 자켓(13)과 열전달유체 공급라인(6a)을 더 포함한다. 자켓(13)은 원통 형상이며, 실리콘 필라멘트(28)와 나란하게 설치되어 실리콘 필라멘트(28)를 둘러싼다. 실리콘 필라멘트(28)는 자켓(13)에 의해 격리된다. 자켓(13)의 상단은 실리콘 브릿지(29) 보다 낮게 위치하며, 실리콘 필라멘트(28)의 상부는 자켓(13)의 상부를 통해 외부로 노출된다.
한편, 자켓(13)은 베이스 플레이트(1)의 상부에 설치되며, 베이스 플레이트(1)의 상부면으로부터 이격되어 고정된다. 따라서, 베이스 플레이트(1)의 상부면과 자켓(13)의 하단부 사이에 공간이 형성되며, 후술하는 바와 같이, 반응가스 노즐(14,24)로부터 공급된 반응가스는 공간을 통해 자켓(13)의 내부로 유입될 수 있다.
열전달유체 공급라인(6a)은 자켓(13)에 연결되며, 열전달유체는 열전달유체 공급라인(6a)를 통해 자켓(13)에 공급된다. 열전달유체는 액체 또는 기체일 수 있으며, 열전달유체는 기설정된 온도로 가열된 상태에서 자켓(13)에 공급되어 자켓(13)을 예열한다. 자켓(13)은 반응가스가 분해되는 것을 피하기 위해 310 ℃ 아래로 온도를 유지할 필요가 있으며, 열전달유체를 통해 약 220 내지 310 ℃ 사이에서 온도를 조절할 수 있다.
실리콘 필라멘트(28)는 자켓(13)을 통해 220℃ 이상으로 예열될 수 있으며, 이를 통해, 실리콘 필라멘트(28)의 도전성을 증가시킬 수 있다. 이후, 실리콘 필라멘트(28)는 전극(9)을 통해 전류를 인가함으로써 가열될 수 있으며, 온도가 증가함에 따라 전기 도전성은 증가한다. 이를 통해, 반응가스는 실리콘 필라멘트(28)의 표면에 증착될 수 있다.
폴리실리콘 제조장치는 캐리어가스 노즐들(8) 및 반응가스 노즐들(14,24)을 더 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 캐리어가스 노즐(8)은 자켓(13)의 하단부에 각각 설치되며, 캐리어가스 노즐(8)의 토출구는 자켓(13)의 상부를 향한다. 캐리어가스 노즐(8)은 캐리어가스 공급라인(8a)을 통해 캐리어가스 공급원(8b)에 연결되며, 캐리어가스 공급원(8b)은 캐리어가스를 저장한다. 캐리어가스는 수소를 포함한다. 캐리어가스 노즐(8)은 자켓(13)의 상부를 향해 캐리어가스를 분사하며, 캐리어가스는 후술하는 반응가스와 함께 자켓(13)의 내부를 따라 상부로 이동한다.
반응가스 노즐들(14,24)은 중심부 가스노즐들(14)과 외곽부 가스노즐들(24)을 구비하며, 중심부 가스노즐들(14)은 중심부 노즐관(12)에 연결되고, 외곽부 가스노즐들(24)은 외곽부 노즐관(22)에 연결된다. 도 2는 도 1에 도시한 중심부 가스노즐을 나타내는 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 중심부 노즐관(12)은 베이스 플레이트(1) 상에 기립된 상태로 설치되며, 중심부 가스노즐들(14)은 중심부 노즐관(12)의 길이방향을 따라 이격배치된다. 이때, 중심부 가스노즐들(14)은 기설정된 각도(θ)만큼 하향경사진 상태로 배치되며, 중심부 가스노즐들(14)은 기설정된 각도(θ)만큼 하향경사진 방향으로 반응가스를 토출한다. 외곽부 노즐관(22) 및 외곽부 가스노즐(24)도 중심부 노즐관(12) 및 중심부 가스노즐(14)과 대체로 동일한 구조와 기능을 가진다.
한편, 중심부 노즐관(12) 및 외곽부 노즐관(22)은 자켓(13)의 외측에 배치되며, 중심부 가스노즐들(14) 및 외곽부 가스노즐들(24)은 자켓(13)의 길이방향을 따라 이격배치된다.중심부 노즐관(12) 및 외곽부 노즐관(22)은 반응가스 공급라인(2)을 통해 반응가스 공급원(2a)에 연결되며, 반응가스 공급원(2a)은 반응가스를 저장한다. 반응가스는 실리콘-함유 가스(silicon-bearing gas)(예를 들어, 모노실란(monosilane), 염화실란(chlorosilane), 또는 디실란(disiliane))일 수 있다.
외곽부 노즐관(22)은 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)과 인접하여 설치되며, 외곽부 가스노즐들(24)은 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 향하도록 배치된다. 외곽부 가스노즐(24)은 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 향해 반응가스를 분사한다. 마찬가지로, 중심부 노즐관(12)은 베이스 플레이트(1)의 중심부에 설치되며, 중심부 가스노즐들(14)은 자켓(13)의 외측면을 향하도록 배치된다. 중심부 가스노즐들(14)은 자켓(13)의 외측면을 향해 반응가스를 분사한다. 반응가스는 베이스 플레이트(1)의 상부면과 자켓(13)의 하단부 사이에 형성된 공간을 통해 자켓(13)의 내부로 유입되며, 앞서 설명한 캐리어가스와 함께 자켓(13)의 내부를 따라 상부로 이동한다. 반응가스는 가열된 실리콘 필라멘트(28)에 접촉하여 분해된 후 실리콘 필라멘트(28)의 표면에서 폴리실리콘으로 증착되어 폴리실리콘 로드(19)를 형성한다. 폴리실리콘 로드는 직경이 약 50 내지 150㎜일 수 있으며, 길이는 약 2m 일 수 있다.
실리콘 필라멘트(28)는 초기 증착면을 제공하며, 폴리실리콘이 증착된 이후에 증착된 폴리실리콘의 외부면은 증착면으로서 역할을 한다. 이때, 증착면은 약 850℃로 유지될 수 있으며, 온도에 따라 증착율은 증가할 수 있다. 증착시 발생하는 부산물(byproduct)이나 미반응가스(unreactant gas)는 배출포트(5)를 통해 외부로 배출된다.
도 3은 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 주위에서 발생하는 반응가스의 유동 해석을 나타내는 사진이며, 도 4는 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 주위에서 발생하는 반응가스의 유동을 나타내는 도면이다. 이하, 도 3 및 도 4를 참고하여 반응가스의 유동 및 폴리실리콘의 증착과정을 설명한다.
먼저, 반응가스(예를 들어, 모노실란 가스)가 분해될 경우, 미세한 실리콘 분말(silicon powder)이 발생한다. 실리콘 분말은 폴리실리콘 로드(19)의 성장을 방해할 뿐만 아니라, 폴리실리콘 로드(19)의 표면 불균일의 원인이 된다. 또한, 실리콘 분말은 반응기(베이스 플레이트(1) 또는 쉘(3))의 벽면에 증착된 후 벽면으로부터 분리되어 낙하하며, 낙하한 실리콘 분말의 일부는 폴리실리콘 로드(19)의 표면에 고착된다. 폴리실리콘 로드(19)에 고착된 실리콘 분말의 일부는 분말관입이나 비정상적인 덴드라이트 성장(dendrite growth) 등을 일으킬 수 있고, 제품 결함을 발생시킨다. 이와 같은 현상은 모노실란 또는 디실란 또는 그들의 화합물과 같은 비할로겐화 실란 화합물 형태의 실리콘을 함유하는 반응가스에서 주로 나타난다.
이와 같은 현상은 반응가스를 자켓(13) 내부에 직접 분사할 경우 두드러지게 나타난다. 반응가스를 자켓(13) 내부에 분사할 경우, 반응가스는 고온의 실리콘 필라멘트(28)에 즉시 접촉하여 분해되며, 이 과정에서 미세한 실리콘 분말이 다량 생성된다. 특히, 반응가스의 농도가 증가할수록 다량의 실리콘 분말이 생성되므로, 반응가스의 농도를 일정 수준 이하로 낮춰야 하는 문제가 있다.
도 3에 도시한 유동 해석에 의하면, 반응가스는 자켓(13)의 내부 및 외부에서 서로 다른 유동을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 자켓(13)의 내부에서 반응가스의 유동 속도는 전체적으로 양(+)의 값을 가지며, 이는 상승흐름을 의미한다. 자켓(13)의 외부에서 반응가스의 유동 속도는 전체적으로 음(-)의 값을 가지며, 이는 하강흐름을 의미한다. 자켓(13)의 내부에서 반응가스는 고온의 실리콘 필라멘트(28)에 의해 가열되는 동안 자켓(13)의 상부를 향해 이동한다. 또한, 자켓(13)의 상부를 통해 배출된 반응가스는 자켓(13)의 외측면 또는 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 통해 냉각되는 동안 자켓(13)의 하부를 향해 이동한다. 이와 같은 이유로 자켓(13)의 내부와 외부에는 상승흐름과 하강흐름이 생성되는 것으로 해석된다.
중심부 가스노즐(14) 및 외곽부 가스노즐(24)은 자켓(13)의 외측에 설치되며, 자켓(13)의 외부에 형성된 하강흐름에 따라 하향경사진 방향으로 반응가스를 분사한다. 중심부 가스노즐(14)은 자켓(13)의 외측면을 향해 반응가스를 분사하며, 외곽부 가스노즐(24)은 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 향해 반응가스를 분사한다. 반응가스는 즉시 자켓(13)의 외측면 또는 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)에 접촉하며, 자켓(13)의 외측면 또는 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 통해 냉각되는 동안 자켓(13)의 하부를 향해 이동할 수 있다.
반응가스는 하강흐름에 따라 베이스 플레이트(1)의 상부면과 자켓(13)의 하단부 사이에 형성된 공간을 통해 자켓(13)의 내부로 유입될 수 있으며, 앞서 설명한 상승흐름과 함께 자켓(13)의 상부로 이동한다. 이때, 반응가스는 자켓(13)의 상부를 향해 분사되는 캐리어가스와 함께 자켓(13) 내에서 상승하며, 캐리어가스는 자켓(13)의 내부와 외부 사이에 압력차를 형성하여 반응가스가 자켓(13)의 내부로 원활하게 유입되는 것을 돕는다. 반응가스는 가열된 실리콘 필라멘트(28)에 접촉하여 분해된 후 실리콘 필라멘트(28)의 표면에서 폴리실리콘으로 증착되어 폴리실리콘 로드(19)를 형성한다.
상술한 바에 의하면, 반응가스를 자켓(13)이 내부에 직접 분사하는 것이 아니라, 자켓(13)의 외부에 분사한 반응가스가 하강흐름 및 상승흐름에 따라 자켓(13)의 내부로 유입되도록 함으로써, 실리콘 분말이 생성되는 것을 억제할 수 있으며, 이를 통해 고순도의 폴리실리콘을 제조할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 반응가스를 자켓(13) 내부에 직접 분사할 경우, 반응가스가 고온의 실리콘 필라멘트(28)에 즉시 접촉하여 급격하게 분해되며, 이 과정에서 미세한 실리콘 분말이 다량 생성될 수 있다. 그러나, 반응가스를 자켓(13) 외부에 분사할 경우, 반응가스가 자켓(13)의 내부로 유입되는 과정에서 서서히 가열되며, 이를 통해 반응가스의 급격한 분해를 방지할 수 있으므로, 미세한 실리콘 분말의 생성을 억제할 수 있다.
특히, 반응가스를 자켓(13) 내부에 직접 분사할 경우, 반응가스의 농도가 증가할수록 다량의 실리콘 분말이 생성될 수 있으나, 반응가스를 자켓(13) 외부에 분사할 경우, 반응가스의 농도에 제한을 받지 않으므로, 고농도의 반응가스를 이용하여 폴리실리콘을 제조할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시한 필라멘트 모듈 및 반응가스 노즐의 배치를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 중심부 노즐관(12) 및 중심부 가스노즐(14)은 베이스 플레이트(1)의 중심부에 위치하며, 자켓(13)의 외측면을 향해 각각 반응가스를 분사한다. 외곽부 노즐관(22) 및 외곽부 가스노즐(24)은 베이스 플레이트(1)의 외곽부에 위치하며, 쉘(3)의 내측면(또는 냉각자켓(4)의 내측면)을 향해 각각 반응가스를 분사한다. 도 5에 도시한 중심부 노즐관(12) 및 중심부 가스노즐(14), 그리고 외곽부 노즐관(22) 및 외곽부 가스노즐(24)의 개수와 배치는 본 발명의 범위를 한정하지 않으며, 본 발명의 내용을 만족하는 범위 내에서 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명을 바람직한 실시예들을 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 바람직한 실시예들에 한정되지 않는다.
1 : 베이스 플레이트 2 : 반응가스 공급라인
3 : 쉘 4 : 냉각자켓
5 : 배출포트 7 : 배기라인
8 : 캐리어가스 노즐 9 : 전극
12 : 중심부 노즐관 13 : 자켓
14 : 중심부 가스노즐 18 : 필라멘트 모듈
19 : 폴리실리콘 로드 22 : 외곽부 노즐관
24 : 외곽부 가스노즐 28 : 실리콘 필라멘트
29 : 실리콘 브릿지 34 : 척

Claims (13)

  1. 외부로부터 인가된 전류에 의해 증착온도로 가열되며, 표면에 폴리실리콘이 증착되는 하나 이상의 실리콘 필라멘트;
    상기 실리콘 필라멘트의 길이방향을 따라 배치되어 상기 실리콘 필라멘트를 둘러싸는 자켓;
    상기 자켓의 내부에 캐리어 가스를 공급하는 하나 이상의 캐리어가스 노즐; 및
    상기 자켓의 외부에 반응가스를 공급하는 하나 이상의 반응가스 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐리어가스 노즐은 상기 자켓의 상부를 향해 상기 캐리어 가스를 분사하며,
    상기 반응가스 노즐은 하향경사진 상태로 상기 반응가스를 분사하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리실리콘 제조장치는,
    베이스 플레이트 및 상기 베이스 플레이트의 상부에 연결되어 반응공간을 형성하는 쉘을 더 포함하며,
    상기 자켓은 상기 베이스 플레이트의 바닥면으로부터 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리실리콘 제조장치는,
    상기 베이스 플레이트를 관통하도록 상기 자켓의 하부에 설치되며, 외부로부터 상기 전류가 인가되는 전극; 및
    상기 전극에 연결되며, 상기 실리콘 필라멘트의 하단이 연결되는 척을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리실리콘 제조장치는,
    베이스 플레이트; 및
    상기 베이스 플레이트의 상부에 연결되어 반응공간을 형성하며, 외부로부터 공급된 열전달유체가 흐르는 냉각자켓을 구비하는 쉘을 더 포함하며,
    상기 반응가스 노즐은 상기 베이스 플레이트의 외곽부를 따라 설치되어 상기 쉘의 내측면을 향해 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 외곽부 가스노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 폴리실리콘 제조장치는 상기 자켓 내에 열전달유체를 공급하여 상기 자켓을 상기 증착온도보다 낮은 예열온도로 가열하는 열전달유체 공급라인을 더 포함하며,
    상기 반응가스 노즐은 상기 자켓의 외측면을 향해 상기 반응가스를 분사하는 하나 이상의 중심부 가스노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  7. 제1항 및 제2항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 필라멘트 및 상기 자켓은 기립된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조장치.
  8. 실리콘 필라멘트를 증착온도로 가열한 상태에서 상기 실리콘 필라멘트의 표면에 폴리실리콘을 증착하는 폴리실리콘 제조방법에 있어서,
    상기 실리콘 필라멘트의 둘레에 자켓을 설치하고, 상기 자켓의 내부에 캐리어 가스를 공급하며 상기 자켓의 외부에 반응가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반응가스는 하향경사진 상태로 분사되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방법은 베이스 플레이트의 상부에 쉘을 연결하여 상기 증착이 이루어지는 반응공간을 형성하며,
    상기 자켓을 상기 베이스 플레이트의 바닥면으로부터 이격되어 설치하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 베이스 플레이트의 상부에 쉘을 연결하여 상기 증착이 이루어지는 반응공간을 형성하며,
    상기 쉘을 상기 증착온도보다 낮은 온도로 냉각한 상태에서 상기 반응가스를 상기 쉘의 내측면에 분사하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 자켓을 상기 증착온도보다 낮은 온도로 냉각한 상태에서 상기 반응가스를 상기 자켓의 외측면에 분사하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
  13. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응가스는 모노실란(monosilane) 및 염화실란(chlorosilane) 그리고 디실란(disiliane) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 제조방법.
KR1020110081596A 2011-08-17 2011-08-17 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법 KR101279414B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110081596A KR101279414B1 (ko) 2011-08-17 2011-08-17 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110081596A KR101279414B1 (ko) 2011-08-17 2011-08-17 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130019568A true KR20130019568A (ko) 2013-02-27
KR101279414B1 KR101279414B1 (ko) 2013-06-27

Family

ID=47897643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110081596A KR101279414B1 (ko) 2011-08-17 2011-08-17 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101279414B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USD769901S1 (en) 2015-02-06 2016-10-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Display screen or portion thereof with icon
WO2017039246A1 (ko) * 2015-08-28 2017-03-09 한화케미칼 주식회사 폴리실리콘 제조 장치
WO2017043892A1 (ko) * 2015-09-08 2017-03-16 한화케미칼 주식회사 폴리실리콘 제조 장치
WO2017160121A1 (ko) * 2016-03-18 2017-09-21 주식회사 엘지화학 폴리실리콘 제조를 위한 초고온 석출 공정
CN108025918A (zh) * 2015-09-08 2018-05-11 韩华化学株式会社 多晶硅制造装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190008031A (ko) 2017-07-14 2019-01-23 오씨아이 주식회사 실리콘 슬림 로드 접합장치
CN109354023B (zh) * 2018-10-12 2022-01-25 中国化学赛鼎宁波工程有限公司 一种双层冷却夹套的甲硅烷热分解炉及生产工艺

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6544333B2 (en) * 1997-12-15 2003-04-08 Advanced Silicon Materials Llc Chemical vapor deposition system for polycrystalline silicon rod production
KR100892123B1 (ko) * 2008-12-31 2009-04-09 (주)세미머티리얼즈 폴리 실리콘 증착장치
US8399072B2 (en) * 2009-04-24 2013-03-19 Savi Research, Inc. Process for improved chemcial vapor deposition of polysilicon
KR101115697B1 (ko) * 2009-12-02 2012-03-06 웅진폴리실리콘주식회사 에너지 효율을 높여주는 복사열 차단막을 갖는 화학기상증착 반응기

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USD769901S1 (en) 2015-02-06 2016-10-25 Samsung Electronics Co., Ltd. Display screen or portion thereof with icon
WO2017039246A1 (ko) * 2015-08-28 2017-03-09 한화케미칼 주식회사 폴리실리콘 제조 장치
WO2017043892A1 (ko) * 2015-09-08 2017-03-16 한화케미칼 주식회사 폴리실리콘 제조 장치
CN108025918A (zh) * 2015-09-08 2018-05-11 韩华化学株式会社 多晶硅制造装置
US10293326B2 (en) 2015-09-08 2019-05-21 Hanwha Chemical Corporation Polysilicon manufacturing apparatus
WO2017160121A1 (ko) * 2016-03-18 2017-09-21 주식회사 엘지화학 폴리실리콘 제조를 위한 초고온 석출 공정
US10683209B2 (en) 2016-03-18 2020-06-16 Lg Chem, Ltd. Ultra-high temperature precipitation process for manufacturing polysilicon

Also Published As

Publication number Publication date
KR101279414B1 (ko) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101279414B1 (ko) 폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법
KR101577452B1 (ko) 다결정 실리콘 반응로
KR100892123B1 (ko) 폴리 실리콘 증착장치
KR100813131B1 (ko) 유동층 반응기를 이용한 다결정 실리콘의 지속 가능한제조방법
KR101623458B1 (ko) 화학 증착 반응기의 가스 분배 시스템 및 방법
CA2779221C (en) Protective device for electrode holders in cvd reactors
KR20100117492A (ko) 개량된 폴리실리콘의 화학 증착 프로세스
US20120128542A1 (en) Apparatus and Method of Manufacturing Polysilicon
CN103098173A (zh) 多晶硅生产
CN102744021A (zh) 流化床反应器
KR101329035B1 (ko) 유동층 반응기
KR101329029B1 (ko) 반응가스 공급노즐을 포함하는 유동층 반응기
KR20120020928A (ko) 폴리실리콘 제조용 ｃｖｄ 반응기의 노즐 겸용 척 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 ｃｖｄ 반응기
KR101792373B1 (ko) 다결정 실리콘 침착 방법
KR20130016740A (ko) 폴리실리콘 제조장치
CA2789486C (en) Apparatus and process for deposition of polycrystalline silicon
KR101895526B1 (ko) 폴리실리콘 제조 장치
KR101590679B1 (ko) 2 중 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조 방법
KR101034030B1 (ko) 폴리 실리콘 증착장치
KR101298233B1 (ko) 입자형 폴리실리콘을 제조하는 유동층 반응기
KR101755764B1 (ko) 폴리실리콘의 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법
KR101538205B1 (ko) 히터 기능을 구비한 가스 공급 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치
KR101871019B1 (ko) 폴리실리콘의 제조 장치 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조방법
KR101938772B1 (ko) 폴리실리콘 제조용 반응 장치 및 그에 의한 폴리실리콘 제조 방법
SU1089181A1 (ru) Устройство дл осаждени слоев из газовой фазы

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160621

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170821

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee