KR20130138034A - 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기이며, 구체적으로 폴리실리콘 제조용 반응기와 가스공급부를 연통하는 가스 노즐이며, 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 이용한 폴리실리콘 제조용 반응기에 관한 것이다.

Description

플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기{GAS NOZZLE COMPRISING PLASMA GENERATOR AND REACTOR FOR PRODUCING POLYSILICON USING THE SAME}

본 발명은 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 별도의 장비 교체 없이 기존의 폴리 실리콘 제조용 반응기에 플라즈마 발생기를 적용할 수 있는 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐에 관한 것이다.

반도체 또는 태양전지의 제조에 있어 주원료로 사용되는 폴리실리콘은 화학기상증착 반응기를 이용하여 실란 반응가스로부터 실리콘을 석출하는 방법으로 얻으며, 일반적으로 지멘스(Siemens) 공법과 유동층 공법이 이용된다.

지멘스 공법은 종형의 반응기에 로드(rod)를 설치하고, 상기 로드에 전압을 가하여 전기 가열시킨 후 실란이 포함된 반응 가스 등을 주입하여 열분해 시켜 상기 로드에 실리콘이 증착되는 방법을 말한다. 또한, 유동층 공법은 반응기 내부로 반응가스를 최소유동화속도 이상으로 주입하면서 Si 종(seed) 입자들을 공급하고, 상기 Si 입자들을 전기저항가열방식으로 석출온도 이상으로 가열시킨 후 상기 반응기 내부로 실란이 포함된 반응가스를 공급하여 유동하는 Si 입자 표면에 실리콘을 증착하여 실리콘을 얻는 방법을 말한다.

그러나 이와 같은 종래의 방법은 전기저항가열을 이용하여 실란가스를 분해하여 Si를 원활히 석출하기 위해서는 반응기 내부의 온도를 1000℃이상으로 유지하여야 하므로, 에너지 소비량이 높아 적은 에너지로 폴리실리콘을 효율적으로 생산할 수 있는 장치에 대한 개발이 요구된다.

본 발명은 이를 해결하기 위하여, 별도의 장비 교체 없이 기존의 폴리 실리콘 제조용 반응기에 플라즈마 장치를 적용할 수 있는 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐 및 이를 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

일 측면에서, 본 발명은 폴리실리콘 제조용 반응기와 가스공급탱크를 연통하는 가스 노즐이며, 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐을 제공한다.

이때, 상기 플라즈마 발생기는 폴리실리콘 제조용 반응기와 연결되는 가스 노즐 말단에 위치하며, 토치형 플라즈마 발생기인 것이 바람직하다.

또한, 상기 토치형 플라즈마 발생기는 직류방식 플라즈마 발생기 또는 교류방식 플라즈마 발생기인 것이 바람직하다.

한편, 상기 교류방식 플라즈마 발생기는 ICP형 플라즈마 발생기인 것이 바람직하다.

다른 측면에서 본 발명은 상기 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐을 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기를 제공한다.

본 발명의 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐을 기존의 폴리실리콘 제조용 반응기에 장착하여 플라즈마를 이용하는 폴리실리콘 제조장치로 별도의 장비 교체 없이 쉽게 전환할 수 있다. 이때, 플라즈마에 의해 실리콘 생성반응에 요구되는 활성화 에너지를 충족하는 화학종의 비율이 증가되어 기존의 지멘스 공법에 비해 낮은 온도에서 폴리실리콘의 석출이 가능해진다. 그 결과 전력 소모량이 감소하고, 상대적으로 생산성이 증가되는 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐을 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기의 일 구현예이다.
도 2은 가스 노즐 말단에 위치하는 직류형 플라즈마 발생기의 일 실시예이다.
도 3는 도 2의 직류형 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 보여주는 도면이다.
도 4은 가스 노즐 말단에 위치하는 ICP 플라즈마 발생기의 일 실시예이다.
도 5는 도 4의 ICP 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만 하기 도면은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 작성된 일례에 불과하며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 도면에서 일부 구성요소는 발명의 원활한 이해를 위해 과장 또는 축소하여 표현되거나 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐을 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기의 일 구현예가 개시되어 있다. 기존의 폴리실리콘 제조용 반응기는 반응기(10), 가스 공급부(30), 가스 공급부와 반응기를 연통하는 가스 노즐(20)을 포함하고 있다. 이때, 상기 가스 노즐(20)을 본 발명의 플라즈마 장치를 포함하는 가스 노즐(20)로 교체함으로써, 기존의 폴리실리콘 제조용 반응기를 플라즈마를 이용하는 폴리실리콘 제조용 반응기로 별도의 장비 교체 없이 쉽게 전환할 수 있다.

이때, 상기 플라즈마 장치를 포함하는 가스 노즐(20)을 이용하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응가스는 반응기(10)로 플라즈마 처리된 상태로 투입될 수 있다.

따라서, 기존의 폴리실리콘 제조용 반응기를 플라즈마를 이용하는 폴리실리콘 제조용 반응기로 전환할 수 있으며, 이때, 플라즈마에 의해 발생된 에너지에 의해 반응가스의 해리율이 2 내지 3배로 증가되어, 실리콘 생성반응에 요구되는 활성화 에너지를 충족하는 화학종의 비율이 높아지므로, 기존의 지멘스 공법에 비해 낮은 온도에서 폴리실리콘의 석출이 가능해진다. 그 결과 전력 소모량이 감소하고, 상대적으로 생산성이 증가되는 우수한 효과가 있다.

본 발명의 가스 노즐은 폴리실리콘 제조용 반응기와 가스 공급부를 연통하는 가스 노즐이며, 플라즈마 발생기를 포함한다.

상기 플라즈마 발생기는 폴리실리콘 제조용 반응기와 연결되는 가스 노즐 말단에 위치할 수 있으며, 이로써 한정되는 것은 아니나, 토치형 플라즈마 발생기인 것이 바람직하다.

상기 상기 토치형 플라즈마 발생기는 직류방식 플라즈마 발생기 또는 교류방식 플라즈마 발생기를 적용되는 폴리실리콘 제조용 반응기에 따라 적절히 채용할 수 있다.

도 2에는 본 발명에서 사용 가능한 가스 노즐 말단에 위치하는 직류방식 플라즈마 발생기의 일 실시예가 개시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 직류방식 플라즈마 발생기는 인가된 전압에 따라 전자를 방출하는 음극부(1), 상기 음극부(1)와 소정거리 이격되어 전압의 인가시 플라즈마 방전을 발생시키는 양극부(2) 및 상기 음극부(1)와 양극부(2) 사이에 반응가스를 공급하는 가스 유입부(3)를 포함할 수 있다.

상기 음극부(1)는 가스 노즐 내부 중앙에 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 외부 음극 전원과 전기적으로 연결되어, 인가된 전압에 따라 전자를 방출하여 상기 양극부(2)와 방전을 일으키게 된다.

또한, 상기 양극부(2)는 상기 음극부(1)와 소정거리 이격되어 가스 노즐 내부 표면에 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 외부 양극 전원과 전기적으로 연결되어, 상기 음극부(1)에서 방출되는 전자가 양극부(2)에 유입되면서 방전을 일으키게 된다. 이때, 가스 유입부(3)를 통해 공급되는 반응 가스를 이용하여 플라즈마를 형성하게 된다. 도 2에서 상기 토치형 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 알 수 있다.

또한, 가스 유입부(3)는 상기 음극부(1)와 양극부(2)를 사이를 관통하여 형성될 수 있으며, 상기 가스 유입부(3)를 통해 반응 가스가 공급된다.

한편, 냉각수 공급부(4)는 상기 음극부(1)와 양극부(2)의 과열을 방지하며, 도시하지 않았으나, 공급되는 냉각수가 일정한 수압이 되지 않는 경우, 플라즈마 장치의 동작을 중단시키는 제어부가 추가될 수 있다.

상기 교류방식 플라즈마 발생기는 이로써 한정되는 것은 아니나, ICP형 플라즈마 발생기인 것이 바람직하다.

한편, 도 3에는 본 발명에서 사용 가능한 가스 노즐 말단에 위치하는 ICP형 플라즈마 발생기의 일 실시예가 개시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 ICP형 플라즈마 발생기는 속이 빈 기둥형의 유도 코일 구조체; 상기 유도 코일 구조체에 감겨져서 배치되며, 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 고주파 전력이 인가되는 유도 코일(5); 및 상기 유도 코일 구조체의 내측에 상기 유도 코일 구조체와 동축으로 배치되며, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생관(6)을 포함할 수 있다.

이때, 상기 유도 코일(5)은 상기 가스 노즐 내부 중앙을 관통하는 플라즈마 발생관(6)의 외주면에 나선형태로 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 유도 코일(5)은 플라즈마 발생기의 전원장치에 연결되어 형성될 수 있으며, 인가된 고주파 전력으로 상기 플라즈마 발생관(6) 내부에 공급된 가스를 플라즈마 처리할 수 있다. 도 4에서 상기 ICP형 플라즈마 발생기에 플라즈마가 형성된 상태를 알 수 있다.

또한, 냉각수 공급부(7)는 상기 플라즈마 발생관(6)의 과열을 방지하며, 도시되지 않았지만, 공급되는 냉각수가 일정한 수압이 되지 않는 경우, 플라즈마 장치의 동작을 중단시키는 제어부가 추가될 수 있다.

한편 본 발명의 가스 노즐을 사용하여 플라즈마 처리된 활성화된 반응 가스로 폴리실리콘을 제조하는 경우, 이송식 플라즈마 발생기 또는 비이송식 플라즈마 발생기를 폴리실리콘의 생산 공정에 따라 적절히 채용할 수 있다.

이때, 이송식 플라즈마 발생기를 사용하는 경우에는, 플라즈마 처리된 반응가스를 폴리실리콘이 생성되는 위치에 집중적으로 이동시킬 수 있어, 막 또는 청크 형태의 폴리실리콘을 제조하고자 할 때, 유리한 방법이나, 직류 방식의 플라즈마 발생기에만 적용할 수 있다는 한계가 있다.

이에 반해, 비이송식 플라즈마 발생기를 사용할 경우에는, 열분해 방식으로 반응가스를 플라즈마 처리하여 폴리실리콘을 분말 형태로 얻고자 할 때, 유리한 방법이며, 직류 방식과 교류 방식의 플라즈마 발생기를 모두 적용할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 상기 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐이 포함된 폴리실리콘 제조용 반응기는 이에 한정되는 것은 아니나, 지멘스 반응기, 유동층 반응기, 고정층 반응기 또는 진공형 반응기가 될 수 있다.

10: 반응기
20: 가스 노즐
30: 가스 공급부
1: 음극부
2: 양극부
3: 가스 유입부
4: 냉각수 공급부
5: 유도 코일
6: 플라즈마 발생관
7: 냉각수 공급부

Claims (7)

1. 폴리실리콘 제조용 반응기와 가스 공급부를 연통하는 가스 노즐이며, 플라즈마 발생기를 포함하는 가스 노즐.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 플라즈마 발생기는 폴리실리콘 제조용 반응기와 연결되는 가스 노즐 말단에 위치하며, 토치형 플라즈마 발생기인 가스 노즐.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 토치형 플라즈마 발생기는 직류방식 플라즈마 발생기 또는 교류방식 플라즈마 발생기인 가스 노즐.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 직류방식 플라즈마 발생기는 인가된 전압에 따라 전자를 방출하는 음극부; 상기 음극부와 소정거리 이격되어 전압의 인가시 플라즈마 방전을 발생시키는 양극부; 및 상기 음극부와 양극부 사이에 반응가스를 공급하는 가스유입부를 포함하는 가스 노즐.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 교류방식 플라즈마 발생기는 ICP형 플라즈마 발생기인 가스 노즐.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 ICP형 플라즈마 발생기는 속이 빈 기둥형의 유도 코일 구조체; 상기 유도 코일 구조체에 감겨져서 배치되며, 외부로부터 플라즈마 발생을 위한 고주파 전력이 인가되는 유도 코일; 및 상기 유도 코일 구조체의 내측에 상기 유도 코일 구조체와 동축으로 배치되며, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 발생관을 포함하는 플라즈마 발생기인 가스 노즐.
   
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 가스 노즐을 포함하는 폴리실리콘 제조용 반응기.

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