KR20130123575A - 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치 - Google Patents

단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치에 관한 것으로서, 진공 분위기를 유지하는 진공챔버, 상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부, 입자형태의 실리콘원료가 투입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부, 하부에 냉각채널이 형성되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 응고시키는 일방향응고부 및 상기 일방향응고부 내부에 구비되며 별도로 제조되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 상기 일방향응고부 하부로 이송시키는 단결정 실리콘버튼 및 상기 단결정 실리콘버튼 하면에 접합되며 상기 단결정 실리콘버튼이 이동되도록 하는 흑연더미바를 을 포함하는 스타트블럭을 포함한다.

Description

단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치{Poly Silicon Manufacturing Apparatus Using Single Crystal Silicon Button}
본 발명은 일방향응고를 통해 폴리실리콘을 제조하는 장치에 관한 것으로서 일방향응고에 사용되는 스타트블럭은 단결정 실리콘버튼을 이용하여 형성됨으로써 응고되는 실리콘용탕의 오염을 방지하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치에 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 갖게 되므로, 추가적인 정련과정을 거쳐야만 반도체용 웨이퍼(순도 99.99999999%(10N) 이상)나 태양전지용 웨이퍼(순도 99.9999%(6N) 이상)로 사용할 수 있게 된다.
실리콘의 순도는 통상 2N, 3N, 6N, 11N 등과 같이 표시된다. 여기서 'N' 앞의 숫자는 중량% 단위에서 9의 개수를 의미하며, 2N의 경우 99%의 순도를, 6N의 경우 99.9999% 순도를, 11N의 경우 99.999999999%의 순도를 의미한다.
초고순도를 요구하는 반도체급 실리콘의 경우 순도가 11N에 이른다. 그러나, 태양광 발전 전지의 원료물질로 이용되는 실리콘은 반도체급 실리콘의 순도인 11N 에 비해 상대적으로 낮은 5N ~ 7N의 순도에도 순도 11N의 실리콘을 적용한 경우와 비슷한 광 전환효율을 얻는 것으로 알려져 있다.
반도체급 실리콘은 화학적 가스화 공정을 통해 제조되고 있다. 그러나 이러한 실리콘 제조 공정은 오염물질이 대량으로 발생하고, 생산효율이 떨어지며, 또한 생산 단가가 높은 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 태양광 발전 전지의 원료물질로 이용되는 실리콘은 상기의 반도체급 실리콘 제조 공정을 적용하기 어려우며, 낮은 제조 비용으로 고순도의 실리콘을 대량 생산할 수 있는 야금학적 정련공정이 활발히 개발되고 있다.
고순도의 태양광 발전용 실리콘의 야금학적 정련법은 진공 정련법, 습식 정련법, 산화 처리법, 일방향응고 정련법 등의 대표적인 공정이 개발되었으며, 일부는 상용화되고 있다.
이들 야금학적 정련법들 중에서 진공 정련법과 일방향응고 정련법 등과 같은 금속 용융법에 의한 실리콘제조 기술이 특성제어가 용이하고, 조업중 불순물에 의한 오염이 적어 활발한 연구가 진행되고 있다.
여기서, 진공 정련법이란 통상 금속원료를 용융시킨 후 용융된 금속으로부터 실리콘에 비해 끓는점과 증기압이 낮은 불순물을 제거하는 정련공정을 말하며, 일방향응고 정련법은 실리콘이 액체에서 고체로 상변이 중에 고체-액체 계면을 따라 불순물을 액체로 이동(편석)시키는 정련공정이다.
일반적으로 일방향응고를 통해 정련을 함에 있어서, 실리콘을 이송시켜 응고되도록 하는데 사용되는 스타트블럭은 더미바와 실리콘버튼이 접촉된 형태로 구성된다.
도 1을 참조하여 종래에 사용되던 폴리실리콘 제조장치의 스타트블럭에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래에 사용되던 폴리실리콘 제조장치의 스타트블럭을 제조하는 과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 일방향응고부(10) 내부에 상하로 이동 가능하게 구성된 더미바(12)의 상부에 실리콘원료(P)가 투입된다.
이때, 상기 실리콘원료(P)의 형태나 크기는 크게 상관이 없지만 일반적으로 정크(Chunk)형태나 작은 알갱이 형태가 바람직하다.
그리고 도 1의 (b)와 같이 투입된 상기 실리콘원료(P)에 별도로 구비된 전자총을 사용하여 전자빔이 조사된다.
이와 같이, 상기 실리콘원료(P)에 고에너지의 전자빔이 조사되면, 정크형태의 상기 실리콘원료(P)는 용융된다. 그리고 조사되는 고에너지의 전자빔 조사를 중지하면 용융된 상기 실리콘원료(P)는 상기 더미바(12)의 상부에서 응고되어 실리콘버튼(14)이 된다.
상기 실리콘버튼(14)은 상기 더미바(12)와 함께 상기 일방향응고부(10) 내측에 구비되어 폴리실리콘을 제조하는데 있어서 스타트블럭으로 사용된다.
하지만, 상기 실리콘버튼(14)이 상기 더미바(12)의 상부에서 생성되는 과정에서 상기 실리콘원료(P)가 용융되기 때문에 상기 더미바(12)로부터 불순물이 유입된다.
이와 같이, 불순물이 유입되어 순도가 낮아진 상기 실리콘버튼(14)은 상기 일방향응고부(10)로 투입되는 실리콘용탕과 접촉하게 된다.
불순물이 유입된 상기 실리콘버튼(14)이 상기 실리콘용탕과 접촉하게 되면 실리콘용탕도 함께 오염되기 때문에 순도가 높은 폴리실리콘 제조에 있어서 많은 문제점이 발생하였다.
또한, 상기 더미바의 상부에 상기 실리콘버튼을 생성시키는 과정에서 상기 실리콘버튼이 상기 더미바와 접착이 잘 일어나지 않는 문제점이 발생하였다.
본 발명의 목적은 종래에 사용되던 스타트블럭의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 일방향응고를 통해 실리콘을 제조할 때 단결정 실리콘버튼과 흑연더미바를 접착시켜 만든 스타트블럭을 사용함으로써 실리콘용탕이 오염되는 것을 방지하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치를 제공함에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 진공 분위기를 유지하는 진공챔버, 상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부, 입자형태의 실리콘원료가 투입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부, 하부에 냉각채널이 형성되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 응고시키는 일방향응고부 및 상기 일방향응고부 내부에 구비되며 별도로 제조되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 상기 일방향응고부 하부로 이송시키는 단결정 실리콘버튼 및 상기 단결정 실리콘버튼 하면에 접합되며 상기 단결정 실리콘버튼이 이동되도록 하는 흑연더미바를 을 포함하는 스타트블럭을 포함한다.
상기 단결정 실리콘버튼은 하면에 일정한 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼의 하면에 대응되는 패턴을 가지도록 형성되어 서로 주합되도록 접합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 패턴은 상기 단결정 실리콘버튼 및 상기 흑연더미바의 접촉면적이 상기 흑연더미바 또는 상기 단결정 실리콘버튼의 횡단면보다 크게 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 단결정 실리콘버튼은 하면이 피라미드형태로 형성되고 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼에 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 단결정 실리콘버튼은 하면에 복수 개의 홀 또는 복수 개의 돌출부가 형성되고 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼에 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 스타트블럭은 유도가열 및 저항가열을 통해서 상기 단결정 실리콘버튼 및 상기 흑연더미바가 접합되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부는 복수 개로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전자빔조사부는 상기 일방향응고부의 상부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전자빔조사부는 복수 개로 구성되어 상기 실리콘용융부 및 상기 일방향응고부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부는 하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 일방향응고부는 하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 단결정 실리콘버튼은 상면만 단결정 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 일방향응고부를 이용하여 폴리실리콘을 제조함에 있어서, 흑연더미바 및 단결정 실리콘버튼을 포함한 스타트블럭을 이용하여 폴리실리콘을 제조할 때, 전자빔을 이용하여 용융시키지 않고 별도로 제조된 단결정 실리콘버튼을 흑연더미바와 접합시킴으로써 단결정 실리콘버튼 상부에 공급되는 실리콘용탕의 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 단결정 실리콘버튼과 흑연더미바의 접합면이 일반적인 일자형태가 아니라 일정한 패턴을 가지도록 형성하여 접촉면적이 증가하도록 함으로써, 스타트블럭이 일방향응고부를 따라 하부로 이동할 때 흑연더미바와 단결정 실리콘버튼이 분리되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
셋째, 액화된 실리콘용탕이 일방향응고부로 투입되어 단결정 실리콘버튼과 접촉함으로써, 실리콘용탕이 응고될 때 입자의 크기가 큰 실리콘잉곳을 제조할 수 있다. 그래서 응고되는 실리콘잉곳의 입자 크기가 증가하여 입자경계가 줄어들기 때문에 불순물의 제거를 위해서 편석될 영역이 줄어들고, 이에 따라서 편석되는 불순물이 쉽게 이동되기 때문에 정련효율이 증가하는 효과가 있다.
도 1은 종래에 사용되던 폴리실리콘 제조장치의 스타트블럭을 제조하는 과정을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 구성을 나타낸 도면;
도 3은 도2의 스타트블럭에서 흑연더미바 및 단결정 실리콘버튼의 접합면이 피라미드형태로 형성된 것을 나타내는 분해사시도;
도 4는 도 2의 스타트블럭에서 흑연더미바 및 단결정 실리콘버튼의 접합면이 복수 개의 홀 및 돌출부로 형성된 것을 나타내는 분해사시도;
도 5는 도 2의 단결정 실리콘버튼 및 흑연더미바의 접합과정을 나타낸 도면; 및
도 6은 도 2의 폴리실리콘 제조장치에 의해서 폴리실리콘이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정형태로 한정하려는 것이 아니라 본 실시예를 통해서 좀더 명확한 이해를 돕기 위함이다.
또한, 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 폴리실리콘 제조장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 폴리실리콘 제조장치의 구성은 크게 진공챔버(100), 전자빔조사부(200), 실리콘용융부(300) 및 일방향응고부(400)로 구성된다.
상기 진공챔버(100)는 전체를 감싸도록 형성되며 별도의 진공펌프(미도시)를 구비하고 상기 진공펌프를 통해서 내부의 진공상태를 조절한다. 또한, 일측에 실리콘원료(P1)를 투입하는 원료투입부(120)가 구비된다.
상기 전자빔조사부(200)는 상기 진공챔버(100) 내부에 구비되며 복수 개로 구성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 전자빔조사부(200)는 제 1전자총(210) 및 제 2전자총(220)으로 구성된다.
상기 제 1전자총(210) 및 상기 제 2전자총(220)은 전자빔이 상기 진공챔버(100) 내부로 조사되도록 상기 진공챔버(100)의 상단에 배치된다.
상기 실리콘용융부(300)는 상기 제 1전자총(210)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치된다. 상기 실리콘용융부(300)에서는 상기 원료투입부(120)로부터 입자 형태의 실리콘원료(P1)가 투입되고, 투입된 상기 실리콘원료(P1)는 상기 제 1전자총(210)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융되어 실리콘용탕(P2)이 만들어진다. 상기 원료투입부(120)으로부터 투입되는 상기 실리콘원료(P1)는 정크형태의 원료가 사용되며 약 1mm-4mm의 크기를 가지는 것이 일반적이다.
이때, 상기 제 1전자총(210)은 전자빔이 500-700kw/m2의 출력 에너지를 갖도록 제 1전자빔을 가속 및 집적하는 것이 바람직하다. 상기 제 1전자총으로부터 조사되는 전자빔의 출력 에너지가 너무 높은 경우, 전자빔에 의해 상기 실리콘용탕(P2)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘용탕(P2)의 거동이 불안정해지는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 실리콘용융부(300)는 작업 중에 발생할 수 있는 불순물의 유입을 차단하고, 냉각 효율을 용이하게 제어할 수 있는 수냉동 도가니를 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 수냉동 도가니라 함은 구리(Cu)로 만들어진 도가니 외부에 냉각수를 이용하여 도가니가 고온에서도 버틸 수 있도록 냉각채널(C)이 구비되도록 제조된 도가니이다.
본 실시예에서는 상기 실리콘용융부(300)가 하나로 구성되어 있지만 이는 특정형태로 한정하는 것이 아니라 보다 명확한 이해를 돕기 위해서 선택한 일 예일 뿐이다. 상기 실리콘용융부(300)가 복수 개로 구성되어도 본 발명의 핵심은 변하지 않으므로 사용자가 선택적으로 상기 실리콘용융부(300)의 숫자를 조절할 수 있다.
상기 일방향응고부(400)는 상기 실리콘용탕(P2)을 연속적으로 주조함과 동시에 금속 불순물의 편석을 유도하여 실리콘 정련 및 고순도 폴리실리콘 생산 효율을 향상시키는 역할을 한다.
이러한 상기 일방향응고부(400)는 상기 제 2전자총(220)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치되며, 상기 실리콘용융부(300)와 연결된다.
또한, 상기 일방향응고부(400)의 하부에는 상기 실리콘용융부(300)와 마찬가지로 상기 실리콘용탕(P2)을 냉각하기 위한 냉각수 등이 공급되는 상기 냉각채널(C)이 형성되며, 상기 일방향응고부(400)의 내부에는 하부 방향으로 구동되는 스타트블럭(410: start block)이 장착된다.
상기 스타트블럭(410)은 상기 일방향응고부(400) 내부에서 하부로 구동되며 실리콘 주조를 위한 주형을 성장시키면서 물리적으로 상기 실리콘용탕(P2)을 하부로 이송시키는 역할을 한다.
상기 스타트블럭(410)은 단결정 실리콘버튼(412) 및 흑연더미바(414)로 구성된다.
상기 단결정 실리콘버튼(412)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 용융된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)의 상부를 통해서 투입되어 상기 실리콘용탕(P2)과 접촉된다.
상기 실리콘용탕(P2)를 이용하여 보다 높은 순도의 폴리실리콘을 제조하기 위해 순도가 높은 단결정 실리콘버튼(412)을 사용한다.
상기 흑연더미바(414)는 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 것을 이용할 수 있다. 특히, 흑연더미바(414)의 재질로는 저밀도 그라파이트가 가장 바람직하다. 상기 흑연더미바(414)의 재질로 저밀도 그라파이트를 사용할 경우, 상기 일방향응고부(400)의 하부 구비된 상기 냉각채널(C)과 초기 형성된 상기 실리콘용탕(P2) 사이의 급격한 온도편차가 발생하는 것을 방지하는 기능을 할 수 있다.
여기서, 상기 스타트블럭(410)으로 흑연더미바(414)만을 사용하는 것이 아니라 상기 단결정 실리콘버튼(412)을 접합하여 사용한다. 상기 흑연더미바(414)을 적용할 경우, 주조되는 폴리실리콘의 흑연 오염 등의 오염 문제가 발생할 수 있기 때문에 순도가 높은 상기 단결정 실리콘버튼(412)를 구비하여 상기 실리콘용융부(300)로부터 투입되는 상기 실리콘용탕(P2)과 접촉하게 함으로써, 오염을 방지할 수 있다.
또한, 일반적인 다결정 실리콘보다 단결정 실리콘이 순도 면에서 앞서기 때문에 상기 단결정 실리콘버튼(412)와 접촉되는 상기 실리콘용탕(P2)의 순도가 올라갈 수 있다.
이와 같이, 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)로 투입되어 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 접촉함으로써, 상기 실리콘용탕(P2)이 응고될 때 입자의 크기가 큰 실리콘잉곳을 제조할 수 있다. 그래서 응고되는 실리콘잉곳의 입자 크기가 증가하여 입자경계가 줄어들기 때문에 불순물의 제거를 위해서 편석될 영역이 줄어들고, 이에 따라서 편석되는 불순물이 쉽게 이동되기 때문에 정련효율이 증가한다.
따라서, 상기 단결정 실리콘버튼(412)은 상기 흑연더미바(414)가 상기 실리콘용탕(P2) 혹은 주조된 실리콘과 직접 접촉하지 않도록 함으로써 그라파이트로부터의 오염을 방지하는 역할을 한다.
한편, 상기 단결정 실리콘버튼(412)는 전체가 단결정으로 구성되지 않고 상기 흑연더미바와 접하지 않는 상면부만 단결정 실리콘으로 형성될 수 있다. 즉, 단결정 실리콘버튼(412) 상면부는 단결정 실리콘으로 구성되고 하부는 다결정 실리콘으로 구성되어 하면이 상기 흑연더미바(414)와 접합된다..
이와 같이 구성된 폴리실리콘 제조장치에 있어서, 상기 스타트블럭(410)은 상기 흑연더미바(414)에 직접 상기 실리콘원료(P1)을 투여하여 전자빔을 이용한 용융을 통해 실리콘버튼을 형성하지 않고, 별도로 제조된 상기 단결정 실리콘버튼(412)을 제조하여 상기 흑연더미바(414)와 접합시켜 제조된다.
이때, 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)은 유도가열 및 저항가열을 통해서 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)를 접합시킨다. 상기 흑연더미바(414)및 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합과정은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
이와 같이 구성된 상기 스타트블럭(410)을 구비한 상기 일방향응고부(400)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 오버플로우되는 상기 실리콘용탕(P2)을 공급받게 된다.
그리고 상기 실리콘용탕(P2)를 공급받은 상기 일방향응고부(400)는 상기 제2 전자총(220)으로부터 전자빔을 조사받아 공급된 상기 실리콘용탕(P2)의 용융상태를 유지하면서 상기 스타트블럭(410)을 하부로 구동하여 상기 실리콘용탕(P2)을 하부 방향으로 이송한 후, 상기 실리콘용탕(P2)의 하부를 냉각하여 상기 실리콘용탕(P2)의 하부에서 상부 방향으로 응고와 동시에 정련되도록 한다.
여기서, 상기 제 2전자총(220)으로부터 상기 일방향응고부(400)의 상부로 조사되는 전자빔이 1300 ~ 2300 kW/m2의 출력 에너지를 가지며, 상기 실리콘용융부(300)로부터 공급된 상기 실리콘용탕(P2)의 상태를 유지할 수 있도록 한다.
이와 같이 구성된 폴리실리콘 제조장치의 전체적인 동작에 대해서 살펴보면, 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)가 상기 실리콘용융부(300)에 투입되고 투입된 상기 실리콘원료(P1)는 상기 조사부에 의해서 상기 실리콘용탕(P2)으로 변형된다.
상기 실리콘용융부(300)에 상기 실리콘원료(P1) 투입이 연속적으로 이루어지면서 상기 실리콘용융부(300)에 형성되는 상기 실리콘용탕(P2)의 양이 증가한다. 이에 따라 상기 실리콘용융부(300)에서 오버플로우(overflow)된 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)로 공급된다.
상기 일방향응고부(400)에서는 상기 실리콘용융부(300)에서 공급되는 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 제 2전자총(220)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융상태를 유지한다. 상기 실리콘용탕(P2)의 용융상태가 유지되면서 상기 스타트블럭(410)에 의하여 하부 방향으로 이송된 후 상기 냉각채널(C)을 통하여 상부방향으로 응고 및 주조되어 폴리실리콘이 형성된다.
상기 일방향응고부(400)는 수냉동 도가니와 마찬가지로 하부에 상기 냉각채널(C)이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비할 수 있다.
다음으로, 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 흑연더미바 및 상기 실리콘버튼의 접합에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 3은 도2의 스타트블럭에서 흑연더미바 및 단결정 실리콘버튼의 접합면이 피라미드형태로 형성된 것을 나타내는 분해사시도이고 도 4는 도 2의 스타트블럭에서 흑연더미바 및 단결정 실리콘버튼의 접합면이 복수 개의 홀 및 돌출부로 형성된 것을 나타내는 분해사시도이다.
상기 단결정 실리콘버튼(412)와 상기 흑연더미바(414)로 구성된 상기 스타트블럭(410)은 상기 실리콘용융부(300)로부터 오버플로우 되어서 상기 일방향응고부(400)에 공급되는 상기 실리콘용탕(P2)을 상기 냉각채널(C)이 형성된 상기 일방향응고부(400)의 하부로 이송시킴으로써 상기 실리콘용탕(P2)에 포함된 불순물을 편석 시킴과 동시에 응고시켜 폴리실리콘을 제조한다.
여기서, 상기 스타트블럭(410)이 상기 일방향응고부(400)의 하부로 이동할 때, 상기 흑연더미바(414) 및 상기 단결정 실리콘버튼(412)가 서로 분리되는 경우가 발생한다. 이를 방지하기 위해서 상기 단결정 실리콘버튼(412) 및 상기 흑연더미바(414)의 접합면에 일정한 패턴을 형성하여 접합면의 접합면적을 크게 해줄 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흑연더미바(414)는 횡방향을 따라 상면이 피라미드형태로 형성되며 상기 단결정 실리콘버튼(412)은 하면이 상기 흑연더미바(414)의 하면에 주합되도록 형성된다.
이와 같이, 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합면이 피라미드형태로 형성되어 서로 접합됨으로써 상기 스타트블럭(410)을 구성하게 된다.
여기서, 상기 단결정 실리콘버튼(412)은 상기 흑연더미바(414)의 상부에 상기 실리콘원료(P1)을 투입하여 용융시키는 방법으로 상기 흑연더미바(414)와 접합되는 것이 아니라, 별도로 외부에서 상기 단결정 실리콘버튼(412)를 제조하여 상기 흑연더미바(414)의 상부에 접합시킨다. 이때, 상기 단결정 실리콘버튼(412)와 상기 흑연더미바(414)는 유도가열 및 저항가열을 통해서 접합된다.
이와 같이, 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합면이 일정한 패턴을 가지도록 피라미드 형태로 형성됨으로써, 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합면적이 커지게 되므로 상기 흑연더미바(414) 및 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합품질을 향상시킬 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하여 상기 단결정 실리콘버튼(412)와 상기 흑연더미바(414)의 접합면이 변형된 형태에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 실리콘버튼(412)은 하면에 복수 개의 홀(412a)이 형성되며, 상기 흑연더미바(414)의 상면에는 상기 단결정 실리콘버튼(412)에 구비된 복수 개의 상기 홀(412a)에 주합되도록 복수 개의 돌출부(414a)가 형성된다.
이와 같이 형성된 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)는 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면과 상기 흑연더미바(414)의 하면이 접합되어 상기 스타트블럭이 구성된다.
상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)의 상기 홀(412a)및 상기 돌출부(414)가 서로 주합되면서 접합면의 접합면적이 증가하며 이를 통해서 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)의 접합품질이 증가할 뿐만 아니라 상기 단결정 실리콘버튼(412)가 상기 흑연더미바(414)에 의해서 오염되는 것을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 단결정 실리콘버튼(412)에 복수 개의 상기 홀(412a)가 형성되고 상기 흑연더미바(414)에 복수 개의 돌출부(414a)가 형성되어 있지만 이는 특별한 형태로 한정하는 것이 아니다. 상기 단결정 실리콘버튼(412)에 복수 개의 돌출부가 형성되고 상기 흑연더미바(414)에 복수 개의 홀이 형성될 수도 있다.
뿐만 아니라 도면에 도시되지는 않았지만, 상기 흑연더미바(414)의 상면에 분말형태의 흑연가루를 뿌려 표면의 거칠기를 증가시킴으로써, 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)의 접합품질을 향상시킬 수 있다.
이상으로, 도 3및 도4를 참조하여 상기 단결정 실리콘버튼(412)과 상기 흑연더미바(414)의 접합면에 형성되어 접합면적을 증가시킨 상기 스타트블럭(410)의 실시예에 대해서 살펴보았다.
하지만, 상기 흑연더미바(414) 및 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 형상을 한정하는 것이 아니라 본 실시예의 명확한 이해를 돕기 위해서 선택한 것이다. 상기 흑연더미바(414)의 상면과 이에 대응되도록 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면이 패턴을 가지도록 형성되어 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합면적이 증가할 수 있다면 어떠한 형태도 적용이 가능할 것이다.
다음으로, 도 5를 참조하여 상기 단결정 실리콘버튼(412) 및 상기 흑연더미바(414)가 접합되는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 5는 도 2의 단결정 실리콘버튼 및 흑연더미바의 접합과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 흑연더미바(414)의 상면을 앞서 도 3및 도 4를 참조하여 설명한 형태로 패터닝을 한 후, 상기 흑연더미바(414)의 상부에 상기 단결정 실리콘버튼(412)이 거치시킨다. 그리고 하부에 위치한 상기 흑연더미바(414)를 유도가열 및 저항가열을 하여 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하부면에 열을 전달한다..
도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 흑연더미바(414)를 가열하면, 상기 흑연더미바(414)의 상면에 대응되는 형태로 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면이 용융되며, 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면이 충분히 용융되면 가열을 중지한다. 이와 같이 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면이 용융된 후 다시 응고되는 과정을 통해서 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면이 상기 흑연더미바(414)의 상면에 대응되는 형태로 접합된다.
이와 같이 상기 흑연더미바(414)를 가열하여 상부에 거치된 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 하면의 용융을 통해 상기 흑연더미바(414)와 접합시킴으로써, 상기 단결정 실리콘버튼(412)이 접합과정에서 발생할 수 있는 상기 흑연더미바(414)로부터의 오염을 방지할 수 있다.
이와 같은 방법을 통해 상기 단결정 실리콘버튼(412) 및 상기 흑연더미바(414)의 접합에 있어서, 상기 흑연더미바(414)와 상기 단결정 실리콘버튼(412)의 접합면적이 증가하여 보다 높은 접착강도를 가지게 된다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 폴리실리콘이 제조되는 전체적인 과정에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 도 2의 폴리실리콘 제조장치에 의해서 폴리실리콘이 제조되는 과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 실리콘용융부(300)에 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)가 투입된 후 상기 전자빔조사부(200)를 통해 전자빔을 조사하게 된다. 이때, 상기 전자빔조사부(200)에서 전자빔을 이용해 상기 실리콘원료(P1)를 용융시키기 위해서는 상기 진공챔버(100)내부가 일정수준 이상의 고진공 상태가 되어야 한다. 여기서, 상기 실리콘용융부(300)에 투입되는 상기 실리콘원료(P1)는 순도 2N, 평균입경 1 ~ 2mm인 입자 형태의 상기 실리콘원료(P1)를 이용할 수 있다.
이와 같이, 고진공 상태의 상기 진공챔버(100)에서 전자빔에 의해 상기 실리콘원료(P1)가 용융된다.
이와 함께, 상기 전자빔조사부(200)는 상기 일방향응고부(400)의 상부에도 전자빔을 조사하여 상기 실리콘용융부(300)로부터 이동된 상기 실리콘용탕(P2)을 냉각되지 않도록 가열해준다.
여기서, 상기 제 1전자총(210)은 상기 실리콘용융부(300) 상부에서 제 1전자빔을 상기 실리콘용융부(300)로 조사하며, 상기 제 2전자총(220)은 제 2전자빔을 상기 일방향응고부(400)의 상부에 조사한다.
이와 같이, 상기 실리콘원료(P1)는 상기 실리콘용융부(300) 내부에서 상기 전자빔조사부(200)로부터 조사되는 전자빔에 의해서 용융되어 상기 실리콘용탕으로 형성될 뿐만 아니라, 온도가 증가됨에 따라서 상기 실리콘원료(P1)에 포함되어 있던 불순물이 휘발되어 제거된다.
상기 제 1전자총(210)으로부터 조사되는 전자빔에 의하여 상기 실리콘원료(P1)가 용융되면서, 실리콘원료에 포함된 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 인(P), 마그네슘(Mg), 망간(Mn) 등과 같은 휘발성 불순물이 진공 휘발된다.
실리콘에 비하여 끓는점과 증기압이 상대적으로 낮은 휘발성 불순물은 높은 진공도와 전자빔에 의한 높은 가열온도에 의해 휘발하게 된다. 이때, 상기 제 1전자총(210)에서 조사되는 전자빔 출력 에너지를 상승시키고 전자빔 조사 시간을 증가시킬 경우 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 진공챔버(100) 내부가 고진공 상태로 유지되면서 상기 전자빔조사부(200)를 통해 상기 실리콘용융부(300)에서 상기 실리콘용탕(P2)을 생성하며, 휘발정련을 통해서 상기 실리콘용탕(P2)의 불순물을 제거하게 된다.
이와 같이, 불순물이 제거된 상기 실리콘용탕(P2)은 도 6의 (a)와 같이 상기 실리콘용융부(300)로부터 상기 일방향응고부(400)로 오버플로우 되어 투입된다.
상기 실리콘용융부(300)으로부터 상기 실리콘용탕(P2)를 공급받은 상기 일방향응고부(400)는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 스타트블럭(410)을 하부방향으로 이송시키게 된다. 이때, 상기 일방향응고부(400)의 상부에서 상기 실리콘용탕(P2)가 바로 응고되지 않도록 상기 제 2전자총(220)이 상기 일방향응고부(400)의 상부에 전자빔을 조사하게 된다.
상기 스타트블럭(410)이 상기 일방향응고부(400)의 하부방향으로 이동됨으로써 상기 단결정 실리콘버튼(412)에 접촉한 상기 실리콘용탕(P2)은 상기 단결정 실리콘버튼(412)을 따라서 하부방향으로 이송된다.
여기서, 상기 일방향응고부(400)의 하부에는 상기 냉각채널(C)이 형성되어 상기 일방향응고부(400)의 하부를 냉각시키게 된다.
그래서 상기 스타트블럭(410)을 따라서 이송되는 상기 실리콘용탕(P2)이 상기 일방향응고부(400)의 하부에서 상기 냉각채널(C)에 의해서 응고된다.
한편, 상기 스타트블럭(410)은 상기 원료투입부(120)로부터 상기 실리콘원료(P1)이 투입되는 속도에 대응하는 속도로 하강하도록 구동될 수 있다.
상기 스타트블럭(410)이 너무 느린 속도로 하강할 경우 상기 실리콘용탕(P2)의 수위가 지속적으로 상승하여 공정제어가 불가능하며, 상기 스타트블럭(410)이 너무 빠른 속도로 하강할 경우 상기 실리콘용탕(P2)의 수위가 지속적으로 낮아져, 상기 일방향응고부(400) 하부로 상기 실리콘용탕(P2)이 새어나가는 문제점이 있다.
이 과정에서 용융 실리콘에 포함된 철(Fe), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 구리(Cu) 등의 금속 불순물이 고액 계면을 따라 상부로 이동된다. 이러한 불순물의 편석 효과는, 실리콘 응고 과정에서 고체상태와 액체상태의 계면이 성장방향과 수직하게 유지되면서, 고체와 액체간의 온도차가 클 때 충분히 발휘될 수 있다.
이와 같이, 상기 스타트블럭(410)의 하강을 통해서 상기 일방향응고부(400)는 상기 실리콘용융부(300)로부터 공급받은 상기 실리콘용탕(P2)을 수직 방향으로 성장시킴으로써 순도가 높은 폴리실리콘을 제조하게 된다.
이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 진공챔버 120: 원료투입부
200: 전자빔조사부 210: 제 1전자총
220: 제 2전자총 300: 실리콘용융부
400: 일방향응고부 410: 스타트블럭
412: 단결정 실리콘버튼 414: 흑연더미바
C: 냉각채널 P1: 실리콘원료
P2: 실리콘용탕

Claims (12)

  1. 진공 분위기를 유지하는 진공챔버;
    상기 진공챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 전자빔조사부;
    입자형태의 실리콘원료가 투입되며, 상기 전자빔조사부로부터 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되어 전자빔에 의해 실리콘원료가 용융되어 실리콘용탕이 만들어지는 실리콘용융부;
    하부에 냉각채널이 형성되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 응고시키는 일방향응고부; 및
    상기 일방향응고부 내부에 구비되며 별도로 제조되어 상기 실리콘용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 상기 일방향응고부 하부로 이송시키는 단결정 실리콘버튼 및 상기 단결정 실리콘버튼 하면에 접합되며 상기 단결정 실리콘버튼이 이동되도록 하는 흑연더미바를 을 포함하는 스타트블럭;
    을 포함하여 구성되는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘버튼은 하면에 일정한 패턴을 가지도록 형성되며, 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼의 하면에 대응되는 패턴을 가지도록 형성되어 서로 주합되도록 접합되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 패턴은,
    상기 단결정 실리콘버튼 및 상기 흑연더미바의 접촉면적이 상기 흑연더미바 또는 상기 단결정 실리콘버튼의 횡단면보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘버튼은 하면이 피라미드형태로 형성되고 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼에 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘버튼은 하면에 복수 개의 홀 또는 복수 개의 돌출부가 형성되고, 상기 흑연더미바는 상면이 상기 단결정 실리콘버튼에 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 스타트블럭은,
    유도가열 또는 저항가열을 통해서 상기 단결정 실리콘버튼 및 상기 흑연더미바가 접합되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘용융부는,
    복수 개로 구성되는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전자빔조사부는,
    상기 일방향응고부의 상부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전자빔조사부는,
    복수 개로 구성되어 상기 실리콘용융부 및 상기 일방향응고부에 전자빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘용융부는,
    하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 일방향응고부는
    하부에 냉각 채널이 형성된 구리 재질의 주조 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘버튼은,
    상면이 단결정 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘버튼을 이용한 폴리실리콘 제조장치.
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