KR20130074465A - 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공하에서 높은 실수율로 투입할 수 있는 실리콘 정련용 플럭스에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 플럭스는 실리콘의 진공정련에 사용하는 정련용 플럭스로서, 내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또한가지 측면에 따른 플럭스의 제조방법은, 원료를 준비하는 단계; 상기 원료를 성형하여 플럭스 형상으로 하는 단계; 및 상기 성형된 플럭스를 건조하는 단계를 포함하는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법으로서, 상기 원료를 성형할 때의 상기 플럭스 형상은 내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스 및 그 제조방법{FLUX FOR HIGH PURITY SILICON IN VACUUM PROCESS AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공하에서 높은 실수율로 투입할 수 있는 실리콘 정련용 플럭스와 이를 제조하는 신규한 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체용이나 태양전지용 웨이퍼로 사용되는 실리콘의 경우, 자연상태의 규석(SiO2)과 코크스 등의 탄소환원제를 아크(arc) 등을 이용하여 고온에서 반응시키는 열탄소환원법에 의해 얻어지게 된다. 그러나 이때 얻어진 실리콘은 다량의 불순물들을 함유하고 있고, 약 99% 정도의 순도를 가지게 되므로, 추가적인 정련과정을 거쳐야만 반도체용 웨이퍼(순도 99.99999999%(10N))나 태양전지용 웨이퍼(순도 99.9999%(6N))로 사용할 수 있게 된다.

따라서, 실리콘은 순도를 높이기 위하여 수많은 정련과정을 거치게 된다. 특히, 실리콘 중 포함된 P는 환원성 분위기에서 기화될 수 있으므로 진공하에서 정련할 경우 대기중으로 기화되어 제거될 수 있어 진공정련에 의해 제거되는 경우가 많다.

실리콘 중에 포함된 대표적인 불순물 중 하나인 보론은 실리콘 용탕과 슬래그 사이의 보론 분배비에 의해 슬래그로 제거되는 성분으로서 통상 실리콘 용탕과 슬래그를 접촉시켜서 정련제거한다. 슬래그는 CaO와 SiO2가 적정비율로 함유된 조성을 가진다.

따라서, 실리콘과 보론의 정련을 위해서는 진공분위기와 적정조성을 가지는 슬래그가 필요하다. 많은 경우 우선 보론을 정련하기 위해서 조성이 제어된 슬래그 정련을 실시한 후, 인의 제거를 위하여 진공 정련을 실시한다. 그러나, 진공 정련하에서도 보론 등의 불순물은 추가적으로 제거되는 것이 바람직하므로 플럭스를 투입하여 적정한 조성의 슬래그를 형성하는 것이 바람직하다.

그런데, 진공을 형성하는 진공용기의 특성상 상시 배기구를 통하여 펌프의 흡인력을 이용하여 가스를 제거하는 과정이 필요할 뿐만 아니라, 용탕에서 발생한 고온의 열기류로 인하여 배기구로 향하는 상승기류가 형성되어 있다. 또한, 슬래그를 형성시키기 위해 투입되는 플럭스는 분말상으로 투입되는 경우가 많은데, 이러한 경우 분말상의 플럭스는 용기내에서 형성된 상승기류로 인하여 배기구 쪽으로 흡인되어 유실되어 버리는 경우가 많기 때문에, 그 투입 실수율이 매우 낮다는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명의 일측면에 따르면 진공용기내에서 실리콘을 정련하기 위해 투입되는 플럭스로서 충분한 실수율을 가질 수 있는 실리콘 정련용 플럭스와 이를 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또한가지 측면에 따르면, 투입된 이후에는 신속히 용해되어 정련에 기여할 수 있는 실리콘 정련용 플럭스 및 그 제조방법이 제공된다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 본 발명의 부가적인 과제는 본 명세서의 전반적인 내용에 기재되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 한가지 측면에 따른 플럭스는 실리콘의 진공정련에 사용하는 정련용 플럭스로서, 내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 플럭스는 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 슬래그 형성물질: 95~97중량%, 바인더: 1.5~2.5중량% 및 윤활제: 1.5~2.5중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 관통홀은 단면의 원상당 직경이 3~7mm인 것이 유리하다.

본 발명의 또한가지 측면에 따른 플럭스의 제조방법은, 원료를 준비하는 단계; 상기 원료를 성형하여 플럭스 형상으로 하는 단계; 및 상기 성형된 플럭스를 건조하는 단계를 포함하는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법으로서, 상기 원료를 성형할 때의 상기 플럭스 형상은 내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 원료는 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 슬래그 형성물질: 95~97중량%, 바인더: 1.5~2.5중량% 및 윤활제: 1.5~2.5중량%를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 관통홀은 단면의 원상당 직경이 3~7mm인 것이 유리하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실리콘 정련용 플럭스는 브리케트 형태를 가지고 있어 진공정련시 용기내에 투입하더라도 강한 상승기류에 의해 흡인유실되지 않을 뿐 아니라, 관통홀을 포함하고 있어 높은 비표면적을 가지고 있고 이로 인하여 투입과 동시에 반응에 참여하기 용이하며, 상기 관통홀에 의해 보다 작은 크기로 분해되기 용이하다. 따라서, 투입될 때 실수율이 높으며, 신속한 정련효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 플럭스의 예시적인 형태를 나타낸 개략도로서 (a)는 사시도, (b)는 평면도이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 진공용기내에서 투입되더라도 유실되지 않는 플럭스의 특성에 대하여 깊이 검토하던 중 우선 분말상이 아닌 괴상으로 플럭스를 투입하여야 플럭스의 투입실수율이 높다는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 단순히 펠렛 형태 등의 괴상으로 플럭스를 제조할 경우에는 투입시 실수율은 높지만, 용탕 상부에서 분해되어 반응에 기여할 때까지 많은 시간이 소요되게 되어 결국 장시간의 처리를 요한다는 단점이 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

따라서, 본 발명의 플럭스는 도 1에 예시하여 도시한 바와 같이, 하나 또는 그 이상의 관통홀을 내부에서 가지는 괴상(바람직한 한가지 예를 들면 브리케트)의 형태를 가질 수 있다. 본 발명에서 관통홀을 형성시킨 이유는 다음과 같다.

비교적 냉간에서 투입되는 브리케트가 용탕과 접촉할 때는 열충격을 받게 된다. 그런데, 통상의 괴상의 펠렛 또는 브리케트는 열충격을 받더라도 충격으로 인한 크랙이 발생하고 전진할 장소가 충분하지 않다. 그러나, 작은 곡률의 관통홀이 내부에 존재할 경우에는 상기 관통홀부터 크랙이 발생하고 이로 인하여 균열이 진전할 경우 짧은 시간에 미세하게 분해되기 쉽다. 또한, 다른 형태보다 관통홀의 브리케팅 등의 방법에 의해 용이하게 형성할 수 있는 방법이므로 생산성 측면에서도 유리하다.

따라서, 본 발명의 플럭스는 내부에 관통홀을 포함한다. 다만, 관통홀의 크기가 너무 작을 경우에는 상기 관통홀 주변에 열충격이 발생하기 어려우므로 상기 관통홀은 단면의 직경(원형이 아닐 경우에는 원상당 직경)이 3mm 이상인 것이 바람직하다. 다만, 상기 직경이 너무 클 경우에는 상기 플럭스의 실제 부피(고상이 차지하는 부피)가 부족하여 투입에 장시간이 소요되므로 상기 직경은 8mm 이하로 제한한다. 상기 관통홀은 홀의 형상을 가지고 있다면 그 단면이 원형, 다각형, 별모양, 부정형 등 어떠한 형태라도 관계없다. 또한, 홀이 직선으로 형성될 필요도 없으며, 곡선 기타 그 밖의 형태를 가지고 있다 하더라도 본 발명에서 언급하는 관통홀의 범주에 해당한다는 사실에 유의할 필요가 있다.

상기 관통홀은 전체 부피로 볼때, 플럭스 전체 부피에 비하여 10~30%의 부피를 점하는 것이 바람직하다. 관통홀의 부피가 너무 작을 경우에는 플럭스 내에서 균열의 발생장소가 부족하며 반대로 관통홀의 부피가 너무 클 경우에는 플럭스의 실제 부피가 감소하여 투입에 장시간이 소요될 수 있다.

상술한 형태의 플럭스는 다음과 같은 조성을 가지는 것이 바람직하다. 즉,상기 플럭스는 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 슬래그 형성물질과, 바인더, 윤활제를 포함한다. 이하, 각 구성성분의 함량(중량%)와 이를 정한 이유에 대하여 설명한다.

슬래그 형성물질: 95~97중량%

상술한 바와 같이 슬래그 형성물질은 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상이다. 각 슬래그 형성물질간 비율은 정련조건에 따라서 달라지기 때문에 본 발명에서 특별히 제한하지는 않으며, 바람직한 슬래그 조성과 이미 형성되어 있는 슬래그 층의 조성에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 선택하여 결정할 수 있다. 다만, 이들 물질은 진공정련시 실리콘 용탕 중의 불순물을 제거하는 핵심적인 성분이므로 그 총합은 95중량% 이상으로 제한할 필요가 있다. 다만, 슬래그 형성물질의 총합이 97중량%를 초과하면 다른 성분의 함량이 상대적으로 감소하여, 충분한 윤활효과를 거두기 어렵거나, 플럭스의 강도가 약화될 우려가 있으므로 상기 슬래그 형성물질은 97중량% 이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다.

윤활제: 1.5~2.5중량%

상기 윤활제는 특히 브리케팅 등의 방식으로 플럭스를 제조할 때 마찰을 감소시켜 브리케팅이 용이하게 되도록 하는 물질이다. 다만, 과다하게 첨가될 경우에는 바인더나 슬래그 형성물질의 최소함량을 충족하지 못하여 충분한 정련능과 강도를 가지기 곤란하므로 상기 윤활제의 함량은 2.5중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 통상의 경우에는 윤활제가 필요 없을 경우도 있으므로 상기 윤활제의 함량의 하한은 특별히 정할 필요가 없다. 다만, 플럭스가 브리케트 방식으로 제조될 경우에는 윤활에 의해 마찰을 감소시키는 것이 제조방법상 유리하므로 상기 윤활제는 1.5중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하기 적합한 바람직한 윤활제로서는 지방산계, 지방산 에스테르계 등을 들 수 있다.

바인더: 1.5~2.5중량%

상기 바인더는 플럭스의 강도를 확보하기 위해 첨가하는 물질이다. 바인더가 충분하지 못하면 보관 과정에서 플럭스가 미세한 크기로 분해되어 버려 진공용기내에서 유실되어 버리는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 바인더는 1.5중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 반대로 바인더의 함량이 과다하면 다른 성분의 최소함량을 확보하기 곤란하므로 상기 바인더는 2.5중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하기 적합한 바람직한 바인더로서는 셀룰로즈계, 폴리비닐알콜계 등을 들 수 있다.

본 발명에서는, 브리케트를 한가지 바람직한 예로서 설명하였으나, 반드시 브리케트 방식으로 제조될 필요는 없으며 관통홀을 가지는 괴상의 형태로 제조된다면 어떠한 방식도 사용될 수 있다. 그 형상 역시 괴상이라면 원기둥, 구형, 타원체, 기타 불규칙적인 형태 등 어떠한 형태라도 사용가능하다. 다만, 원기둥의 형태를 사용하는 것이 내부에 관통홀을 가지면서 괴상으로 제조하기에 적합하다. 만일 원통형의 형상을 가진다면 실리콘 정련을 위한 직경은 30~40mm, 길이가 50~70mm이다. 상기 크기 역시 높은 실수율과 빠른 슬래그화에 유리한 크기인 것이다.

이하에서는, 상술한 본 발명의 유리한 플럭스를 제조하는 방법에 대하여 간략히 설명한다.

우선 상술한 본 발명의 유리한 조성을 충족하도록 플럭스의 원료를 준비하는 단계가 필요하다. 상기 준비라는 개념에는 원료의 혼합과정도 포함될 수 있는 의미임에 유의할 필요가 있다. 즉, 이미 혼합된 원료를 준비할 수도 있으며, 각각의 원료를 준비하여 혼합할 수도 있는 것이다. 상술한 비율로 준비된 원료와는 별도로 충분한 양의 수분이 함께 혼합되어 후속과정에 사용될 수 있다. 수분의 혼합량은 통상 원료의 반죽과 혼합에 필요한 양이면 되므로 본 발명에서 특별히 제한하지 않으며, 상술한 원료의 함량비는 수분의 함량은 제외한 것이라는 점에 유의할 필요가 있다.

이후 상기 원료를 성형하는 단계가 후속된다. 상기 성형시, 내부에 관통홀이 생성되도록 성형하는 것이 바람직하다. 만일, 플럭스를 연속적으로 제조하는 경우에는 본 성형과정에는 적당한 크기로 절단하는 과정도 포함될 수 있다.

이후, 상기 성형된 플럭스를 건조하는 과정이 후속될 수 있다. 건조과정에서는 통상의 건조방법이라면 모두 사용할 수 있으며, 플럭스가 충분한 강도를 가질때까지 건조하면 충분하므로 본 발명에서는 그 구체적인 조건에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

상술한 과정에 의해 제조된 플럭스는 실리콘의 정련을 위하여 진공용기에 투입되어 사용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

종래예

분말상 CaCO3와 SiO2를 2:1의 중량비율로 혼합한 플럭스를 준비하였다.

비교예1

상기 종래예와 동일한 비율로 CaCO3와 SiO2를 슬래그 형성물질로서 준비하고, 윤활제로서 지방산계(산노프코리아 제조 LU-6418 지방산계)를, 바인더로서 셀룰로오스계(삼성정밀화학 제조 MECELLOSE PMB 15U 셀룰로오스계)를 준비하여 이들을 각각 96중량%(슬래그 형성물질), 2중량%(윤활제), 2중량%(바인더)의 함량으로 혼합하였다. 상기 혼합된 재료를 내부에 관통홀이 형성된 플럭스의 형상으로 성형하고 건조하여 플럭스를 제조하였다. 이때, 관통홀의 직경이 2mm 이 되도록 설정하였으며, 관통홀의 부피 비율이 20%가 되도록 관통홀의 비율을 조절하였다.

비교예2

상기 비교예1과 동일하되 관통홀의 직경을 5mm로 제어하고 관통홀의 부피비율을 10%가 되도록 제어한 방식으로 플럭스를 제조하였다.

발명예

상기 비교예1과 동일하되 관통홀의 직경을 5mm로 제어한 플럭스를 제조하였다.

상기 종래예, 비교예1, 비교예2, 발명예의 방법으로 제조된 플럭스를 실리콘 용탕이 내부에 수용된 진공용기에 약 50kg 투입하고, 정련을 실시한 후, 용탕상부에 존재하는 슬래그의 양을 측정하였다. 상기 측정결과 투입된 플럭스내 슬래그 형성물질(CaCO3와 SiO2)과 측정된 슬래그의 양을 비교하여 플럭스의 실수율을 측정하였다.

또한, 이와는 별도로 진공용기에 관찰창을 설치한 후, 플럭스를 투입한 후 플럭스가 투입된 이후 완전히 용해하는 순간까지 소요된 시간을 측정하여 비교하였다.

하기 표 1에 각 경우의 플럭스의 실수율과 슬래그 형성시간을 나타내었다.

항목	종래예	비교예1	비교예2	발명예
플럭스 실수율	75%	85%	85%	90%
슬래그 형성시간	30분	60분	60분	30분

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 종래예의 경우에는 30분 정도의 짧은 시간에 슬래그가 형성되었으나, 비교예1과 비교예2는 슬래그 형성시간이 60분 이상으로 과다하게 소요되었다. 그러나 종래예의 경우에는 상당량의 플럭스가 유실되어 그 실수율이 75%에 불과하였다. 비교예1과 비교예2 및 발명예의 경우는 표 1에서 볼 수 있듯이 높은 플럭스 실수율을 나타내고 있었다.

발명예의 경우는 플럭스 실수율과 플럭스 형성시간 모두 본 발명에서 목표하는 바와 같이 우수하게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

Claims (6)

1. 실리콘의 진공정련에 사용하는 정련용 플럭스로서,
   내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성된 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플럭스는 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 슬래그 형성물질: 95~97중량%, 바인더: 1.5~2.5중량% 및 윤활제: 1.5~2.5중량%를 포함하는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 관통홀은 단면의 원상당 직경이 3~7mm인 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스.
   
4. 원료를 준비하는 단계;
   상기 원료를 성형하여 플럭스 형상으로 하는 단계; 및
   상기 성형된 플럭스를 건조하는 단계를 포함하는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법으로서,
   상기 원료를 성형할 때의 상기 플럭스 형상은 내부에 하나 또는 그 이상의 관통홀이 형성되는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 원료는 SiO2, CaCO3, CaF2 및 Al2O3 중에서 선택되는 1종 이상의 슬래그 형성물질: 95~97중량%, 바인더: 1.5~2.5중량% 및 윤활제: 1.5~2.5중량%를 포함하는 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법.
   
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 관통홀은 단면의 원상당 직경이 3~7mm인 고순도 실리콘 제조를 위한 플럭스의 제조방법.

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