KR20160036138A - Method and apparatus for producing silicon - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing silicon.
최근 태양광 산업의 급속한 발전으로 인해 태양 전지의 원료로 사용되는 고순도 실리콘에 대한 수요가 급증하고 있다. 현재 상용화된 고순도 실리콘은 대부분 지멘스(Siemens) 공법으로 불리는 화학기상증착방법을 통해 제조되고 있다. 지멘스 공법에서는 반응기에 의해 형성되는 반응 챔버 내부에 필라멘트로 구성되는 실리콘 로드를 설치하고, 실리콘 로드에 전류를 인가하면서 가스 유입구를 통해 반응 챔버 내부로 모노실란, 디실란 또는 삼염화실란과 같은 실리콘 함유 가스를 포함하는 투입 가스를 주입한다. 이때 인가된 전류에 의해 실리콘 로드 표면이 가열되고, 주입된 투입 가스가 열 분해되면서 가열된 실리콘 로드 상에 증착됨으로써 실리콘이 생성된다.Due to the rapid development of the solar cell industry in recent years, demand for high-purity silicon used as a raw material for solar cells is rapidly increasing. Most of the high-purity silicon currently commercialized is manufactured by a chemical vapor deposition method called Siemens method. In the Siemens method, a silicon rod composed of filaments is provided in a reaction chamber formed by a reactor, and a silicon-containing gas such as monosilane, disilane or trichlorosilane is injected into the reaction chamber through a gas inlet, Is injected. At this time, the surface of the silicon rod is heated by the applied current, and the injected introduced gas is thermally decomposed and deposited on the heated silicon rod to generate silicon.
그러나 종래의 지멘스 공법에서는 반응기의 제작 시 사용되는 소재나 내부 구성 요소에 따른 반응기 특성, 같은 반응기라도 서로 다른 배치(Batch)면 결과물이 다르게 나오는 배치 특성 등을 반영하기 위해 여러 번의 제조 공정을 반복하여 반응기 최적화를 수행한다. 그러나 이와 같은 반응기 최적화에는 많은 시간이 소모되며, 최적화 이후에도 제조 효율의 개선이 가능한지 여부를 확인할 수 없다는 단점이 있다.
However, in the conventional Siemens method, several manufacturing steps are repeated to reflect the characteristics of the reactor used in the production of the reactor or the internal components of the reactor, the batch characteristics in which different batch batch results are obtained even in the same reactor Perform reactor optimization. However, such a reactor optimization process consumes a lot of time, and there is a disadvantage in that it can not be confirmed whether or not the production efficiency can be improved even after the optimization.
본 발명은 실리콘 로드의 성장 상태를 실시간으로 반영하여 실리콘 제조에 필요한 전류의 크기 및 투입 가스의 양을 효율적으로 제어할 수 있는 실리콘 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for manufacturing silicon which can reflect the growth state of the silicon rod in real time and efficiently control the amount of current and the amount of the introduced gas required for silicon production.
또한 본 발명은 반응기 특성이나 배치 특성과 무관하게 최적의 조건에서 실리콘을 제조할 수 있는 실리콘 제조 방법 및 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing silicon which can produce silicon under optimum conditions regardless of the characteristics of the reactor and the arrangement thereof.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description and more clearly understood by the embodiments of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the invention may be realized and attained by means of the instrumentalities and combinations particularly pointed out in the appended claims.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 실리콘 제조 장치에 있어서, 내부에 반응 챔버가 형성되는 반응기, 상기 반응 챔버 내부에 구비되며, 하나 이상의 필라멘트로 구성되는 적어도 하나의 실리콘 로드, 상기 반응 챔버 내로 투입 가스를 공급하는 가스 공급부, 상기 수직 필라멘트에 연결되어 상기 실리콘 로드로 전류를 공급하는 전력 공급부, 상기 실리콘 로드의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성하는 이미지 획득부 및 상기 이미지를 이용하여 결정되는 상기 실리콘 로드의 현재 직경, 미리 설정된 목표 직경 및 미리 설정된 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전류의 크기 및 상기 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a silicon production apparatus comprising: a reactor having a reaction chamber formed therein; at least one silicon rod provided in the reaction chamber and composed of one or more filaments; An image acquiring unit connected to the vertical filament and supplying a current to the silicon rod, an image acquiring unit generating an image for confirming a growth state of the silicon rod, And a control unit for controlling at least one of a magnitude of the current and a supply amount of the supplied gas based on at least one of a current diameter of the rod, a preset target diameter, and a preset target conversion ratio.
또한 본 발명은 실리콘 제조 방법에 있어서, 사용자로부터 목표 직경 및 목표 전환율을 입력받는 단계, 반응 챔버 내부에 구비되는 실리콘 로드의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성하는 단계, 상기 이미지를 이용하여 상기 실리콘 로드의 현재 직경을 결정하는 단계 및 상기 현재 직경, 상기 목표 직경 및 상기 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 상기 실리콘 로드에 공급되는 전류의 크기 및 상기 반응 챔버 내부로 공급되는 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a silicon, comprising: inputting a target diameter and a target conversion rate from a user; generating an image for confirming a growth state of a silicon rod provided in the reaction chamber; At least one of a magnitude of a current supplied to the silicon rod based on at least one of the current diameter, the target diameter and the target conversion rate, and a supply amount of an input gas supplied into the reaction chamber, And a step of controlling the control unit.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 실리콘 로드의 성장 상태를 실시간으로 반영하여 실리콘 제조에 필요한 전류의 크기 및 투입 가스의 양을 효율적으로 제어할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention as described above, the growth state of the silicon rod is reflected in real time, and the amount of the current and the amount of the introduced gas required for the silicon production can be efficiently controlled.
또한 본 발명에 의하면 반응기 특성이나 배치 특성과 무관하게 최적의 조건에서 실리콘을 제조할 수 있는 장점이 있다.
Also, according to the present invention, there is an advantage that silicon can be manufactured under optimum conditions regardless of the characteristics of the reactor or the arrangement thereof.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 획득된 이미지를 이용하여 실리콘 로드의 직경을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 방법의 흐름도.1 is a configuration diagram of a silicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention;
2 is a diagram illustrating a process of determining the diameter of a silicon rod using an image obtained in an embodiment of the present invention.
3 is a flow diagram of a method of manufacturing silicon according to an embodiment of the present invention.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent by describing in detail exemplary embodiments thereof with reference to the attached drawings, which are not intended to limit the scope of the present invention. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to denote the same or similar elements.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 장치의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a silicon manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 장치(10)는 기판(40) 및 기판(40)의 상부에 설치되는 반응기(30)를 포함하고, 반응기(30) 내부에는 실리콘이 성장하는 반응 챔버(25)가 형성된다. 반응기(30)는 도 1에서 벨(bell) 형상을 가지나, 반응 챔버(25)를 형성할 수 있는 어떠한 형상으로도 이루어질 수 있다. 반응기(30)는 내벽(30a) 및 외벽(30b)으로 구성되며, 내벽(30a)과 외벽(30b) 사이, 그리고 기판(40) 내부에는 반응 챔버(25)의 온도를 조절하기 위하여 냉각제가 흐른다.1, a
도 1에서, 반응 챔버(25) 내부에는 실리콘 로드(34)가 배치된다. 본 발명에 따른 실리콘 로드(34)는 하나 이상의 필라멘트로 구성될 수 있다. 예컨대 도 1에 도시된 실시예에서, 실리콘 로드(34)는 기판(40) 상에서 서로 이격되어 배치된 두 개의 수직 필라멘트(34a, 34b)와 수직 필라멘트들(34a, 34b)의 상단을 연결하는 수평 필라멘트(34c)로 구성된다. 수직 필라멘트들(34a, 34b)의 하단은 전력 공급부(20)와 연결되며, 전력 공급부(20)는 제어부(50)의 제어에 따라 실리콘 로드(34)로 전류를 인가한다. 전력 공급부(20)에 의해 전류가 인가되면 실리콘 로드(34)를 구성하는 필라멘트들은 일정한 온도, 예컨대 1000~1100℃까지 가열된다. 한편, 실시예에 따라 실리콘 로드(34)는 수직 필라멘트 및 수평 필라멘트가 아닌 다른 구조 및 형상을 갖는 하나 이상의 필라멘트로 구성될 수도 있다.In Fig. 1, a
참고로 도 1의 실시예에서는 하나의 실리콘 로드(34)만이 반응 챔버(25) 내에 배치되어 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서 반응 챔버(25) 내에는 다수의 실리콘 로드가 배치될 수 있다.In the embodiment of FIG. 1, only one
또한 기판(40)에는 실리콘을 제조하기 위한 투입 가스가 유입되는 가스 유입구(42) 및 반응이 완료된 가스를 배출하기 위한 가스 배출구(44)가 각각 형성되며, 가스 공급부(22)는 제어부(50)의 제어에 따라 가스 유입구(42)로 투입 가스를 공급한다. 투입 가스는 모노실란, 디실란, 또는 삼염화실란과 같이 실리콘 성분이 포함되어 있다. 가스 유입구(42)로 투입된 투입 가스는 전류 인가에 의해 가열된 실리콘 로드(34) 주위에서 열 분해되고, 이에 따라 실리콘 성분이 실리콘 로드(34) 표면에 증착된다. 이와 같은 증착 과정을 통해 실리콘 로드(34) 상에서 실리콘이 성장한다.The
한편, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 장치(10)는 실리콘 제조 과정에서 반응 챔버(25) 내부에 배치된 실리콘 로드(34)의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성하는 이미지 획득부(46, 48)를 포함한다. 예컨대 이미지 획득부(46, 48)는 광학 센서 또는 레이저 센서나 이들의 조합으로 구성되어 반응 챔버(25) 내부에 배치된 실리콘 로드(34)를 촬영하고 그에 따른 이미지를 생성할 수 있다. 이미지 획득부(46, 48)에는 보다 선명한 이미지를 얻기 위하여 별도의 광원(미도시)이 포함될 수 있다.The
또한 반응기(30) 상에는 이미지 획득부(46, 48)에 의해 반응 챔버(25) 내부에 배치된 실리콘 로드(34)의 성장 상태를 확인할 수 있는 뷰 포트(24, 26)가 배치될 수 있다. 뷰 포트(24, 26)의 크기와 형상은 실시예에 따라 달라질 수 있으며, 이미지 획득부(46, 48)에 의한 실리콘 로드(34)의 성장 상태 확인이 가능할 수 있도록 투명한 재질로 구성된다.The
도 1에 도시된 실시예에서는 2개의 이미지 획득부(46, 48) 및 이에 대응되는 2개의 뷰 포트(24, 26)가 도시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서 이미지 획득부 및 뷰 포트는 하나 이상 존재할 수 있다. 또한 도 1에서는 2개의 이미지 획득부(46, 48) 및 2개의 뷰 포트(24, 26)가 각각 반응기(30)의 좌측면 및 좌상부에 배치되어 있으나, 본 발명의 다른 실시예에서 이미지 획득부 및 뷰 포트는 반응 챔버(25) 내부의 실리콘 로드(34) 의 성장 상태를 확인할 수 있는 어느 위치에도 배치될 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 1, two
한편, 이미지 획득부(46, 48)를 통해 생성되는 실리콘 로드(34)의 이미지들은 유선 또는 무선 통신을 통해 제어부(50)로 전송될 수 있다. 제어부(50)는 이미지 획득부(46, 48)로부터 전송된 이미지를 이용하여 실리콘 로드(34)의 현재 직경을 결정하고, 결정된 현재 직경, 미리 설정된 목표 직경 및 미리 설정된 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 전력 공급부(20)에 의해 인가되는 전류의 크기 및 가스 공급부(22)에 의해 공급되는 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어한다.Meanwhile, the images of the
이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 제조 과정에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a silicon manufacturing process according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
본 발명의 실시예에서는 먼저 실리콘 제조를 효율적으로 제어하기 위하여 목표 직경 및 목표 전환율을 설정한다.In the embodiment of the present invention, the target diameter and the target conversion ratio are set in order to efficiently control the silicon production.
여기서 목표 직경이란 특정 시간 t에서 단위 시간이 경과했을 때 실리콘 로드(34)에 증착되는 실리콘에 의해 성장하는 실리콘의 직경을 의미한다. 결국 목표 직경은 단위 시간을 기준으로 실리콘의 성장 속도를 의미할 수 있다. 이와 같은 목표 직경은 입력부(미도시)를 통해 사용자로부터 입력될 수 있다.Here, the target diameter means the diameter of silicon grown by the silicon deposited on the
또한 반응 챔버(25) 내부로 공급되는 투입 가스에는 모노실란, 디실란 또는 삼염화실란과 같은 실리콘 함유 가스, 즉 실란 가스가 포함된다. 이와 같은 실란 가스에 포함된 실리콘이 도 1과 같은 제조 장치를 통해 실제 실리콘으로 전환되는 비율을 전환율이라 한다. 사용자는 입력부(미도시)를 통해 원하는 전환율을 상수 또는 시간에 따른 값(예컨대, 0~100%의 값)으로 입력할 수 있다. 또한 사용자는 입력부(미도시)를 통해, 실란 가스와 함께 투입 가스에 포함되는 나머지 가스의 비율을 상수 또는 시간에 따른 값으로 입력할 수 있다.Further, the introduced gas supplied into the
이후 제어부(50)는 미리 설정된 초기 전류값으로 전력 공급부(20)를 통해 실리콘 로드(34)에 전류를 인가한다. 또한 제어부(50)는 미리 설정된 초기 공급량으로 가스 공급부(22)를 통해 투입 가스를 반응 챔버(25) 내부로 공급한다. 이에 따라 실리콘 로드(34)는 일정 온도(예컨대, 1000~1100℃)로 가열되고, 가열된 실리콘 로드(34)에는 투입 가스에 포함된 실리콘이 증착됨으로써 실리콘이 성장하게 된다.Thereafter, the
이 때 이미지 획득부(46, 48)는 뷰 포트(24, 26)를 통해 실리콘 로드(34)를 촬영하여 실리콘 로드(34)의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성한다. 이렇게 생성된 이미지는 제어부(50)에 전달된다.At this time, the
제어부(50)는 이미지 획득부(46, 48)로부터 전달된 이미지를 분석하여, 촬영된 실리콘 로드(34)의 현재 직경을 결정한다. 제어부(50)가 실리콘 로드(34)의 이미지를 통해 실제 실리콘 로드(34)의 현재 직경을 결정하는 데에는 종래 존재하는 다양한 이미지 분석 방법 중 하나가 이용될 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 획득된 이미지를 이용하여 실리콘 로드의 직경을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a)는 이미지 획득부(46, 48)로부터 전달된 원본 이미지를 나타낸다. 원본 이미지는 픽셀로 이루어지며, 촬영된 이미지 모델 채널의 개수를 m개라 하면(예컨대, RGB 모델일 경우 m = 3, CMYK 모델일 경우 m = 4) 원본 이미지는 (가로 픽셀 수×세로 픽셀수×m)의 행렬로 구성된다. 원본 이미지의 색상 깊이 수를 n 이라고 할 때, 모든 행렬의 구성 요소들은 0 ~ (2n-1) 중 하나의 값을 가진다.FIG. 2 is a view for explaining a process of determining the diameter of a silicon rod using an image obtained in an embodiment of the present invention. 2 (a) shows the original image transferred from the
다음으로, 제어부(50)는 도 2의 (b)와 같이 원본 이미지 내의 특정 픽셀과 주위의 픽셀의 픽셀값을 비교하여 그 값이 급격히 변화하는 부분을 상대적으로 완만히 변화하는 부분보다 강조시켜 원본 이미지 내의 객체(예컨대, 실리콘 로드)의 경계 부분을 선명화(sharpen)한다.2 (b), the
다음으로, 제어부(50)는 도 2의 (c)와 같이 이미지를 그레이 스케일(gray scale)화 한다. (가로 픽셀 수×세로 픽셀수×m)의 행렬의 가로, 세로를 각각 원본 이미지의 좌표라 생각하면 하나의 픽셀 좌표는 m개의 값을 가지는데, 이 m개의 값들에 합이 1이 되는 m개의 상수들을 각각 곱한 후 서로 더하여 (가로 픽셀 수×세로 픽셀수×m)의 행렬을 (가로 픽셀 수×세로 픽셀수×1)의 행렬로 변환한다. 이에 따라 그레이 스케일화 된 이미지는 한 픽셀당 0 ~ (2n-1) 사이의 값을 갖게 된다.Next, the
다음으로, 제어부(50)는 도 2의 (d)와 같이 그레이 스케일화된 이미지를 이진화한다. 즉, 제어부(50)는 특정 픽셀값을 기준으로 더 큰 값을 가지는 픽셀은 1로 작은 값을 가지는 픽셀은 0으로 변환함으로써 그레이 스케일화된 이미지를 (d)와 같이 흑과 백만이 존재하는 이진(binary) 이미지로 변환한다. 여기서 특정 픽셀값은 경계값이라 불리며, 일반적으로 사용자가 이미지를 관찰하여 지정된 값이나 Otsu's method와 같은 방법으로 지정된 값을 이용한다.Next, the
다음으로, 제어부(50)는 앞서 생성된 이진 이미지를 다양한 방법으로 보정한다. 반응 챔버(25) 내부는 온도가 매우 높기 때문에 이미지 획득부(46, 48)에 의해 촬영되는 이미지에는 열과 빛으로 인해 왜곡 현상이 발생한다. 따라서 이미지 내에 존재해야 하는 객체가 빛의 왜곡으로 인하여 나타나지 않을 경우 객체가 존재하는 영역들 사이에 객체가 존재하지 않는 영역이 존재하면 해당 영역에 객체를 채우는 과정을 반복적으로 수행할 수 있다. 또한 이미지 내의 객체의 경계 부분에는 고온으로 인한 아지랑이로 인하여 왜곡 현상이 발생하므로, 이를 보정하기 위하여 각 객체들의 최외곽선을 추출 후 최외곽선을 최대한 가늘게 변환시켜 객체 경계에서 돌출된 부분을 제거한 후 최외곽선 내부를 다시 보충할 수 있다. 도 2의 (e)는 이와 같이 보정된 최종 이미지를 나타낸다.Next, the
제어부(50)는 보정된 최종 이미지 내의 객체, 즉 실리콘 로드가 기울어진 정도를 분석한 후, 객체를 똑바로 세웠을 때 세로축 마다의 가로 길이 방향 픽셀수를 계산한 후 대표 객체 길이를 선정한다. 여기서 대표 객체 길이로는 계산된 픽셀수들의 평균값 또는 최빈값 또는 중앙값 등을 사용할 수 있다. 픽셀수로 정해진 대표 객체 길이를 미리 알고 있는 축척을 통하여 실제 길이로 환산하면 이미지 촬영 시의 실리콘 기둥의 직경을 계산할 수 있다.The
이미지 획득부(46, 48)에 의한 이미지 생성으로부터 제어부(50)에 의한 직경 계산에 이르는 일련의 과정들은 미리 설정된 시간 간격으로 반복적으로 수행될 수 있다. 이 때 시간 간격은 1초 ~ 10시간까지 사용자가 원하는 시간으로 설정 가능하며, 특히 1분 ~ 1시간 사이의 시간으로 설정될 수 있다.A series of processes from image generation by the
제어부(50)는 이와 같은 과정을 통해 이미지 획득부(46, 48)에 의해 생성된 이미지를 이용하여 실리콘 제조 중 실리콘 로드(34)의 현재 직경을 결정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 제어부(50)는 이와 같은 실리콘 로드(34)의 직경과, 앞서 설정된 목표 직경 및 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여, 전력 공급부(20)에 의해 공급되는 전류의 크기와 가스 공급부(22)에 의해 공급되는 투입 가스의 양을 다음과 같이 제어한다.
The
A. 전류 제어A. Current control
특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 실리콘 로드(34)의 직경, 즉 목표 직경을 Dt+1이라 하고, 제어부(50)에 의해 결정된 특정 시간 t에서의 실리콘 로드(34)의 현재 직경을 Dt라고 할 때, 실리콘 로드(34)가 필요로 하는 열량은 [수학식 1]과 같다.
A current diameter of the
[수학식 1]에서 ΔQ는 열량, c는 실리콘 로드(34)의 비열, Δm은 실리콘 로드(34)의 질량 변화량, T는 실리콘 로드(34)의 온도를 나타낸다.In Equation (1),? Q represents the heat amount, c represents the specific heat of the
이 때 실리콘 로드(34)의 질량 변화량(Δm)은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
At this time, the mass change amount? M of the
[수학식 2]에서, dsi는 실리콘 로드(34)의 밀도, ΔVolu는 실리콘 로드(34)의 부피 변화량, L은 실리콘 로드(34)의 전체 길이(수직 필라멘트들(34a, 34b)의 길이 및 수평 필라멘트(34c)의 길이의 합)를 나타낸다.L is the total length of the silicon rod 34 (the length of the
[수학식 2]의 Δm을 [수학식 1]에 대입하면, 다음과 같다.
Substituting? M in the equation (2) into the equation (1), the following is obtained.
여기서 V는 실리콘 로드(34)에 현재 인가되는 전압 크기를 나타내고, R은 실리콘 로드(34)의 저항값을 나타낸다.Where V represents the voltage magnitude currently applied to the
결국 [수학식 3]을 정리하면, 앞서 설정된 목표 직경을 달성하기 위하여 특정 시간 t에서 단위 시간 동안 실리콘 로드(34)에 인가되어야 하는 전류 크기의 변화량(ΔI)을 다음과 같이 결정할 수 있다.
(3), the change amount? I of the current magnitude to be applied to the
여기서, Rt는 실리콘 로드(34)의 저항값, It는 실리콘 로드(34)에 공급되는 현재 전류값을 각각 나타낸다.Here, R t represents the resistance value of the
본 발명의 일 실시예에서, 제어부(50)는 [수학식 4]와 같이 실리콘 로드(34)의 목표 직경(Dt+1) 및 현재 직경(Dt)을 이용하여 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 전류 크기의 변화량(ΔI)을 결정하고, 결정된 변화량에 따라 전류를 인가하도록 전력 공급부(20)를 제어한다. 전력 공급부(20)는 단위 시간동안 선형적 또는 비선형적으로 공급하는 전류의 크기를 변화시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the
한편, 제어부(50)는 [수학식 4]에 의해 결정된 전류 크기의 변화량(ΔI)을 이용하여 실리콘 로드(34)에 인가되는 전류의 크기를 변경한 이후, 변경이 완료된 전류의 크기를 다음과 같이 추가로 보정할 수 있다.
On the other hand, the
[수학식 5]에서 CCt는 특정 시간 t에서의 보정 계수를 나타낸다. 또한 기대값(t)은 [수학식 4]에 의해 결정된 전류 크기의 변화량(ΔI)을 적용했을 때 실리콘 로드(34)에서 나타날 것으로 예측되는 기대값을 나타내고, 실측값(t)은 [수학식 4]에 의해 결정된 전류 크기의 변화량(ΔI)을 적용했을 때 실제로 측정한 실리콘 로드(34)의 실측값을 나타낸다. 이 때 기대값과 실측값으로 사용되는 값은 실리콘 로드의 직경 또는 단면적 등과 같이 실리콘 로드로부터 측정 가능한 모든 값과, 이 측정 가능한 모든 값들을 변환하여 만들 수 있는 모든 값들을 의미한다. 또한 실시예에 따라 두 개 이상의 보정계수가 사용될 수도 있다. 이 때 시작 시점, 즉 특정 시간 t=0 일 때의 보정 계수는 1로 정의된다.
In Equation (5), CC t represents a correction coefficient at a specific time t. Also, the expected value t represents an expected value expected to appear in the
B. 투입 가스 제어B. Inlet gas control
전술한 바와 같이, 반응 챔버(25) 내부로 공급되는 투입 가스에는 모노실란, 디실란 또는 삼염화실란과 같은 실리콘 함유 가스, 즉 실란 가스가 포함된다. 실란 가스에는 일정 질량의 실리콘이 함유되어 있으며, 이 실리콘들 중 일부가 실리콘 로드(34)에 증착됨으로써 실리콘이 형성된다. 이와 같은 실란 가스에 포함된 실리콘이 실제 실리콘으로 전환되는 비율을 전환율이라 한다As described above, the input gas supplied into the
특정 시간 t에서의 전환율을 CRt라고 할 때, 투입 가스에 포함된 하나 이상의 실란 가스가 함유하는 실리콘의 양(Δs)은 다음과 같이 정의된다.
When the conversion rate at a specific time t is CR t , the amount (? S) of silicon contained in at least one silane gas contained in the input gas is defined as follows.
서로 다른 i개의 실란 가스가 투입 가스에 포함되어 있을 때, 실란 가스 전체의 부피에 대한 각각의 실란 가스의 부피의 비율을 rSGi라 하고, 투입 가스의 부피에 대한 실란 가스 전체의 부피의 비율을 rsilane이라고 할 때, Δs의 실리콘을 갖는 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 투입 가스의 부피(FGt+1)는 다음과 같이 정의된다.
The ratio of the volume of each silane gas to the volume of the entire silane gas is defined as r SGi and the ratio of the volume of the entire silane gas to the volume of the introduced gas is defined as r silane , the volume (FG t + 1 ) of the input gas after a unit time at a specific time t with silicon of? s is defined as follows.
여기서 MWSi는 상기 투입 가스에 포함되는 실리콘의 분자량, MWSGi는 실란 가스 i의 분자량을 각각 나타낸다.MW Si represents the molecular weight of the silicon contained in the introduced gas, and MW SGi represents the molecular weight of the silane gas i.
예컨대 투입 가스에 포함되는 실리콘의 양(Δs)이 100g 이고, 투입 가스에 포함된 실란 가스 중 모노실란이 40%, 삼염화실란이 60%를 차지한다고 가정한다. 만약 투입 가스 중 실란 가스가 차지하는 비율이 80% 라고 하면, 실리콘의 양(Δs) 100g 중 40g은 모노실란에, 60g은 삼염화실란에 각각 함유되어 있을 것이다. 이 때 Δs는 투입 가스에 포함된 실리콘만의 무게이므로, 모노실란 또는 삼염화실란에서 실리콘이 차지하는 비율을 계산하면 실란 가스 전체의 부피가 계산되고, 이와 같은 부피를 갖는 실란 가스는 투입 가스 전체의 80%를 차지하므로 최종적으로 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 투입 가스의 부피를 계산할 수 있다.For example, it is assumed that the amount of silicon (? S) contained in the input gas is 100 g, the monosilane occupies 40% and the trichlorosilane occupies 60% of the silane gas contained in the input gas. If the ratio of the silane gas in the input gas is 80%, 40 g of 100 g of silicon (Δs) will be contained in the monosilane and 60 g in the trichlorosilane, respectively. Since the total amount of silicon contained in the monosilane or the trichlorosilane is calculated, the total volume of the silane gas is calculated. The silane gas having such a volume is calculated as 80 %, So that the volume of the input gas after the unit time can be finally calculated at a specific time t.
제어부(50)는 이와 같이 계산된 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 투입 가스의 부피를 이용하여 가스 공급부(22)로 하여금 특정 시간 t에서 단위 시간 이후에 투입되는 투입 가스의 양을 제어하게 한다.
The
본 발명에 따른 실리콘 제조 장치(10)는 이와 같은 전류의 크기 및 투입 가스량의 제어를 통해 실리콘의 제조에 있어서 미리 설정된 목표 직경 및 목표 전환율을 보다 효율적으로 달성할 수 있다.The
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 방법의 흐름도이다.3 is a flow chart of a method of manufacturing silicon according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 실리콘 제조 장치(10)는 이와 같은 전류의 크기 및 투입 가스량의 제어를 통해 실리콘의 제조에 있어서 미리 설정된 목표 직경 및 목표 전환율을 보다 효율적으로 달성할 수 있다.The
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 제조 방법의 흐름도이다.3 is a flow chart of a method of manufacturing silicon according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 먼저 사용자로부터 원하는 목표 직경 및 목표 전환율을 입력받는다(S302). 이후 실리콘 제조를 위해 실리콘 로드에 전류가 인가되고, 반응 챔버 내부로 투입 가스가 공급될 수 있다.Referring to FIG. 3, a target diameter and a target conversion rate are input from a user (S302). Thereafter, a current is applied to the silicon rod for silicon production, and an input gas can be supplied into the reaction chamber.
다음으로, 반응 챔버 내부에 구비되는 실리콘 로드를 촬영하여 실리콘 로드의 이미지를 생성하고(S304), 생성된 이미지를 이용하여 실리콘 로드의 현재 직경을 결정한다(S306).Next, the silicon rod provided in the reaction chamber is photographed to generate an image of the silicon rod (S304), and the current diameter of the silicon rod is determined using the generated image (S306).
그리고 나서, 실리콘 로드의 현재 직경, 목표 직경 및 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 실리콘 로드에 공급되는 전류의 크기 및 반응 챔버 내부로 공급되는 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어한다(S308).Then, at least one of the magnitude of the current supplied to the silicon rod and the supply amount of the supplied gas supplied into the reaction chamber based on at least one of the current diameter, the target diameter and the target conversion rate of the silicon rod is controlled (S308).
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, But the present invention is not limited thereto.
Claims (11)
상기 반응 챔버 내부에 구비되며, 하나 이상의 필라멘트로 구성되는 적어도 하나의 실리콘 로드;
상기 반응 챔버 내로 투입 가스를 공급하는 가스 공급부;
상기 필라멘트에 연결되어 상기 실리콘 로드로 전류를 공급하는 전력 공급부;
상기 실리콘 로드의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성하는 이미지 획득부; 및
상기 이미지를 이용하여 결정되는 상기 실리콘 로드의 현재 직경, 미리 설정된 목표 직경 및 미리 설정된 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 상기 전류의 크기 및 상기 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를
포함하는 실리콘 제조 장치.
A reactor in which a reaction chamber is formed;
At least one silicon rod disposed within the reaction chamber and comprising at least one filament;
A gas supply unit for supplying an input gas into the reaction chamber;
A power supply connected to the filament to supply current to the silicon rod;
An image obtaining unit for generating an image for confirming a growth state of the silicon rod; And
A control unit for controlling at least one of a magnitude of the current and a supply amount of the introduced gas based on at least one of a current diameter of the silicon rod determined using the image, a preset target diameter, and a predetermined target conversion rate
≪ / RTI >
상기 반응기 상에는 상기 이미지 획득부에 의해 상기 실리콘 로드의 성장 상태를 확인하기 위한 적어도 하나의 뷰 포트가 형성되는
실리콘 제조 장치.
The method according to claim 1,
At least one view port for confirming the growth state of the silicon rod is formed on the reactor by the image acquiring unit
Silicon manufacturing device.
상기 제어부는
상기 이미지를 이용하여 상기 실리콘 로드의 현재 직경을 계산하는 이미지 처리부를
포함하는 실리콘 제조 장치.
The method according to claim 1,
The control unit
An image processor for calculating the current diameter of the silicon rod using the image
≪ / RTI >
상기 제어부는
사용자로부터 상기 목표 직경 및 상기 목표 전환율을 입력받는 입력부를
포함하는 실리콘 제조 장치.
The method according to claim 1,
The control unit
An input unit for receiving the target diameter and the target conversion rate from a user
≪ / RTI >
상기 제어부는
하기 [수학식 1]에 의해 결정된 전류 변화량(ΔI)을 이용하여 상기 전류의 크기를 제어하는
실리콘 제조 장치.
[수학식 1]
(여기서, c는 상기 실리콘 로드의 비열, T는 상기 실리콘 로드의 온도, L은 상기 실리콘 로드의 전체 길이, dsi는 상기 실리콘 로드의 밀도, t는 특정 시간, Dt는 현재 직경, Dt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 목표 직경, Rt는 상기 실리콘 로드의 저항값, It는 상기 실리콘 로드에 공급되는 현재 전류값)
The method according to claim 1,
The control unit
The magnitude of the current is controlled using the current change amount? I determined by the following equation (1)
Silicon manufacturing device.
[Equation 1]
(Here, c is the specific heat of the silicon rod, T is the temperature of the silicon rod, L is the total length, d si is the density of the silicon load of the silicon rod, t is a particular time, D t is the current diameter, D t +1 is a target diameter after a unit time at a specific time t, R t is a resistance value of the silicon rod, and I t is a current current value supplied to the silicon rod)
상기 제어부는
상기 전류 변화량이 적용되었을 때의 기대값 및 상기 전류 변화량이 적용된 이후 측정되는 상기 실리콘 로드의 실측값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 전류의 크기를 제어하는
실리콘 제조 장치.
6. The method of claim 5,
The control unit
Comparing an expected value when the current change amount is applied and an actual value of the silicon rod measured after the current change amount is applied, and controlling the magnitude of the current according to the comparison result
Silicon manufacturing device.
상기 제어부는
하기 [수학식 2]를 이용하여 상기 투입 가스의 공급량을 결정하는
실리콘 제조 장치.
[수학식 2]
(여기서, FGt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후 투입 가스의 부피, L은 상기 실리콘 로드의 전체 길이, dsi는 상기 실리콘 로드의 밀도, Dt는 현재 직경, Dt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 목표 직경, MWSi는 상기 투입 가스에 포함되는 실리콘의 분자량, rsilane은 투입 가스의 부피에 대한 실란 가스 전체의 부피의 비율, CRt+1은 상기 목표 전환율, MWSGi는 실란 가스 i의 분자량, rSGi는 실란 가스 전체의 부피에 대한 실란 가스 i의 부피의 비율, dSGi는 실란 가스 i의 밀도)
The method according to claim 1,
The control unit
The supply amount of the input gas is determined using the following equation (2)
Silicon manufacturing device.
&Quot; (2) "
(Where, FG t + 1 is volume, L is the total length, d si is the density of the silicon rod, D t is the current diameter, D t + 1 of the silicon rod in the input gas after the unit time in a certain time t is a particular M r Si is the molecular weight of silicon contained in the input gas, r silane is the ratio of the volume of the entire silane gas to the volume of the input gas, CR t + 1 is the target conversion rate, MW SGi is the molecular weight of the silane gas i, r SGi is the ratio of the volume of the silane gas i to the volume of the total silane gas, and d SGi is the density of the silane gas i)
반응 챔버 내부에 구비되는 실리콘 로드의 성장 상태를 확인하기 위한 이미지를 생성하는 단계;
상기 이미지를 이용하여 상기 실리콘 로드의 현재 직경을 결정하는 단계; 및
상기 현재 직경, 상기 목표 직경 및 상기 목표 전환율 중 적어도 하나에 기반하여 상기 실리콘 로드에 공급되는 전류의 크기 및 상기 반응 챔버 내부로 공급되는 투입 가스의 공급량 중 적어도 하나를 제어하는 단계를
포함하는 실리콘 제조 방법.
Receiving a target diameter and a target conversion rate from a user;
Generating an image for confirming a growth state of the silicon rod provided in the reaction chamber;
Determining the current diameter of the silicon rod using the image; And
Controlling at least one of a magnitude of a current supplied to the silicon rod based on at least one of the current diameter, the target diameter, and the target conversion rate and a supply amount of an input gas supplied into the reaction chamber,
≪ / RTI >
상기 전류의 크기는
하기 [수학식 1]에 의해 결정된 전류 변화량(ΔI)을 이용하여 제어되는
실리콘 제조 방법.
[수학식 1]
(여기서, c는 상기 실리콘 로드의 비열, T는 상기 실리콘 로드의 온도, L은 상기 실리콘 로드의 전체 길이, dsi는 상기 실리콘 로드의 밀도, t는 특정 시간, Dt는 현재 직경, Dt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 목표 직경, Rt는 상기 실리콘 로드의 저항값, It는 상기 실리콘 로드에 공급되는 현재 전류값)
9. The method of claim 8,
The magnitude of the current
Is controlled using the current change amount? I determined by the following equation (1)
≪ / RTI >
[Equation 1]
(Here, c is the specific heat of the silicon rod, T is the temperature of the silicon rod, L is the total length, d si is the density of the silicon load of the silicon rod, t is a particular time, D t is the current diameter, D t +1 is a target diameter after a unit time at a specific time t, R t is a resistance value of the silicon rod, and I t is a current current value supplied to the silicon rod)
상기 전류 변화량이 적용되었을 때의 기대값 및 상기 전류 변화량이 적용된 이후 측정되는 상기 실리콘 로드의 실측값을 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 전류의 크기를 제어하는 단계를
더 포함하는 실리콘 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Comparing an expected value when the current change amount is applied and an actual value of the silicon rod measured after the current change amount is applied and controlling a magnitude of the current according to a comparison result,
≪ / RTI >
상기 투입 가스의 공급량은
하기 [수학식 2]를 이용하여 결정되는
실리콘 제조 방법.
[수학식 2]
(여기서, FGt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후 투입 가스의 부피, L은 상기 실리콘 로드의 전체 길이, dsi는 상기 실리콘 로드의 밀도, Dt는 현재 직경, Dt+1은 특정 시간 t에서 단위 시간 이후의 목표 직경, MWSi는 상기 투입 가스에 포함되는 실리콘의 분자량, rsilane은 투입 가스의 부피 대비 실란 가스의 부피 비율, CRt+1은 상기 목표 전환율, MWSGi는 실란 가스 i의 분자량, rSGi는 실란 가스 전체의 부피 대비 실란 가스 i의 부피 비율, dSGi는 실란 가스 i의 밀도)9. The method of claim 8,
The supply amount of the input gas is
Is determined using the following equation (2)
≪ / RTI >
&Quot; (2) "
(Where, FG t + 1 is volume, L is the total length, d si is the density of the silicon rod, D t is the current diameter, D t + 1 of the silicon rod in the input gas after the unit time in a certain time t is a particular M r Si is the molecular weight of silicon contained in the input gas, r silane is the volume ratio of the silane gas to the volume of the input gas, CR t + 1 is the target conversion rate, MW SGi is the silane R SGi is the volume ratio of the silane gas i to the total volume of the silane gas, and d SGi is the density of the silane gas i)
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WO2021121558A1 (en) * | 2019-12-17 | 2021-06-24 | Wacker Chemie Ag | Method for producing and classifying polycrystalline silicon |
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2014
- 2014-09-24 KR KR1020140127510A patent/KR101651004B1/en active IP Right Grant
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