KR20160128402A - 다결정 실리콘의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다결정 실리콘의 제조 방법으로서, 다결정 실리콘 바(bar)를 제공하는 단계, 다결정 실리콘 바를 다결정 단편으로 분쇄하는 단계, 및 다결정 단편을 기저부, 벽부 및 개구부를 포함하는 카드보드 용기 내에 도입함으로써 다결정 실리콘 단편을 포장하는 단계를 포함하며, 다결정 단편과 접촉하게 되는 적어도 기저부 및 벽부의 내면이 플라스틱 물질로 코팅된 것인 제조 방법에 관한 것이다.

Description

다결정 실리콘의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON}

본 발명은 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.

다결정 실리콘(폴리실리콘)은 대부분, 지멘스법에 의해 할로실란, 예컨대 트리클로로실란으로부터 미세 로드(rod) 상에 증착됨으로써 다결정 실리콘 로드를 생성하며, 그 다음 이것이 다결정 실리콘 청크(chunk)로 분쇄된다. 청크로 분쇄된 후에는, 이것을 특정 크기 부류들로 분류하는 것이 통상적이다. 구분 및 분류 후, 청크는 비닐백에 특정 중량으로 투입하여 포장한다. 청크의 구분, 분류, 투입 및 포장에 대한 해당 방법은 US 2013309524 A1호에 공지되어 있다.

반도체 및 태양에너지 산업에서의 적용에는, 최소한의 오염도를 갖는 청크 폴리실리콘이 바람직하다. 따라서 청크로의 분쇄, 구분과 분류, 투입 및 포장이 최소한의 오염도로 수행되는 것이 바람직하다.

일반적으로, 청크는 개개의 가공 단계들 사이에서, 한 장치로부터 다른 장치, 예를 들어 분쇄 장치로부터 포장기로 이송되어야 한다. 이 경우에, 버퍼 용기로 불리는 것, 일반적으로 플라스틱 박스에 청크를 개재식으로 보관하는 것이 통상적이다.

마지막 가공 단계는 언제나 비닐백 내의 포장인데, 청크 폴리실리콘은 충전 동안에 비닐백을 관통할 수 있고 최악의 경우에는 파괴할 수도 있는, 모서리가 날카로운 비자유 유동형 벌크 재료라는 사실 때문에 상기 포장에는 문제가 있다.

DE 10 2007 027 110 A1호에는, 이 목적으로, 다결정 실리콘의 포장 방법으로서, 다결정 실리콘을 충전 장치에 의해 자유 부유형의 형태가 마감된 백 내에 충전하는 단계, 및 백을 밀봉함으로써 충전시키는 단계를 포함하며, 백은 10 ∼ 1000 ㎛의 벽 두께를 갖는 고순도 플라스틱으로 이루어지고, 충전 장치는 비금속 저오염 재료의 자유 부유형 에너지 흡수체를 포함하며, 이것은 다결정 실리콘의 충전 전에 비닐백 내에 도입되고, 이것에 의해 다결정 실리콘이 비닐백 내에 충전되며, 이어서 다결정 실리콘으로 충전된 비닐백으로부터 자유 부유형 에너지 흡수체가 제거되고, 비닐백이 밀봉되는 것인 포장 방법이 개시되어 있다.

비닐백 내에 에너지 흡수체를 제공하는 상기와 같은 방법은, 포장시 비닐백의 천공을 대체로 방지할 수 있다. 그러나, 이는 소형이거나 경량인 청크에만 적용된다.

청크 질량에 비례해서 백 손상의 위험성이 증가하는 것을 발견하였다.

백 필름을 강화함으로써 천공률을 감소시키는, 이론상 안출 가능한 한 가지 방법은 실현 가능성이 높지 않은 것으로 판단되었는데, 특히는 이러한 덜 유연한 필름의 취급이 용이하지 않을 것이기 때문이다. 사용되는 포장기는 350 ㎛ 초과의 두께를 갖는 필름용으로 설계된 것이 아니다. 게다가, 이렇게 두꺼운 백의 용접에는 시간이 더 걸리기 때문에, 처리량이 감소한다.

이러한 백의 천공은 포장 작업시뿐만 아니라, 소비자에게 이송 중에도 일어날 수 있다. 청크 폴리실리콘은 모서리가 날카롭기 때문에, 백 내에 청크가 바람직하지 않게 배향된 경우에, 백 필름에 대한 청크의 상대적인 움직임 및 백 필름에 대한 청크의 압력으로 인해, 각각, 청크에 의한 백 필름의 절단 및 관통이 일어난다.

경험으로 밝혀진 바와 같이, 청크 폴리실리콘으로 충전된, 시판의 PE 필름으로 제조된 백은, 이송 중에 또는 후에 찢어져 개봉되는 용접 이음매(weld seam)를 나타낸다.

백 포장으로부터 돌출된 청크는 주위의 물질에 의해 직접적으로, 그리고 내부의 청크는 외기의 유입의 결과로, 용인될 수 없게 오염될 수 있다. 이 문제는 폴리실리콘이 제1 백 내에 충전된 후, 이 제1 백이 제2 백 내에 도입되는 이른바 이중 백의 경우에도 나타난다.

보다 큰 청크에 대해서는 US 20130269295 A1호에, 다결정 실리콘을 2 kg 초과의 중량 및 90 ∼ 170 mm의 크기를 갖는 청크 또는 둥근 로드의 형태로 포장하는 방법으로서, 각각의 경우에, 포장될 다결정 실리콘의 치수에 맞는 장방형 카드보드 박스 내에 1 이상의 필름이 삽입되고, 1 이상의 필름 내에 다결정 실리콘이 도입되며, 이후 1 이상의 필름이 용접되어 다결정 실리콘을 에워싸는 것인 포장 방법이 개시되어 있다. 청크 또는 둥근 로드의 형태이며 2 kg 초과의 중량 및 90 ∼ 170 mm의 크기를 갖는 다결정 실리콘은 10 ∼ 200 ㎛의 두께를 가지며 다결정 실리콘을 에워싸는 1 이상의 필름에 의해 둘러싸이며, 이 1 이상의 필름은 강화 구조를 갖는 추가의 필름에 의해 둘러싸인다. 필름이 용접된 후, 다결정 실리콘은 카드보드 박스 또는 분리 수단을 포함하는 이송 용기 내에 도입된다.

이 방식으로, 보다 큰 청크의 경우에서, 이송 동안의 천공이 보다 효과적으로 방지될 것으로 여겨진다.

따라서 원론적으로는, 발상은 청크를 플라스틱 박스에 옮기고, 최종 단계로서 이것을 비닐백 또는 필름에 포장하는 것이다.

본 발명의 목적은 보다 저렴하고 보다 경제적으로 실시 가능한 공정을 제공하는 것이었다.

상기 목적은 다결정 실리콘의 제조 방법으로서, 다결정 실리콘 로드를 제공하는 단계, 다결정 실리콘 로드를 다결정 실리콘 청크로 분쇄하는 단계, 및 다결정 실리콘 청크를 기저부, 벽부 및 개구부를 포함하는 카드보드 용기 내에 도입함으로써 다결정 실리콘 청크를 포장하는 단계를 포함하며, 다결정 실리콘 청크와 접촉하게 되는 적어도 기저부 및 벽부의 내면이 플라스틱으로 코팅되어 있는 것인 제조 방법에 의해 달성된다.

다결정 실리콘은 바람직하게는, 실리콘 함유 성분 및 수소를 반응 가스로 사용하여, 가열된 미세 실리콘 로드 상에 증착한다(지멘스법). 바람직하게는, 실리콘 함유 성분은 클로로실란이고, 더 바람직하게는 트리클로로실란이다. 증착은 선행 기술에 따라 실시하며, 예를 들어 WO 2009/047107 A2호를 참조한다.

증착 후, 다결정 실리콘 로드는 분쇄된다. 먼저, 폴리실리콘 로드의 예비 분쇄가 있는 것이 바람직하다. 이 목적으로, 저마모 물질, 예컨대 소결 탄화물로 제조된 해머가 사용된다. 예비 분쇄는 바람직하게는 내마모 플라스틱 또는 실리콘으로 이루어지는 표면을 갖는 작업대에서 실시된다.

이어서, 예비 분쇄된 폴리실리콘을 청크 크기 0, 1, 2, 3, 4 또는 5의 원하는 목표 크기로 분쇄하는 단계가 후속된다. 청크 크기는 다음과 같이, 실리콘 청크의 표면상의 두 점 사이의 가장 긴 거리(= 최대 길이)로서 정의된다:

청크 크기(CS) 0 [mm] 0.1 ∼ 5

청크 크기 1 [mm] 3 ∼ 15

청크 크기 2 [mm] 10 ∼ 40

청크 크기 3 [mm] 20 ∼ 60

청크 크기 4 [mm] 45 ∼ 120

청크 크기 5 [mm] 100 ∼ 250

이 맥락에서, 각각의 경우에 있어 청크 분획 중 90 중량% 이상이 언급한 크기 범위 내에 있다.

분쇄는 크러셔에 의해, 예를 들어 조 크러셔로 실시된다. 이러한 크러셔는 예를 들어 EP 338 682 A2호에 기술되어 있다.

그 후, 파쇄된 실리콘은 선택적으로 기계식 스크린에 의해 전술한 청크 크기로 분류된다. 그 전에, 상기 실리콘은 바람직하게는 카드보드 용기에 포장되어, 분쇄 장치로부터 상기 실리콘을 구분 및 분류하는 장치로 이송된다.

선택적으로, 청크는 최종 포장 전에 세정된다. 이 목적으로, 분류된 실리콘은 카드보드 용기에 포장되어 세정 장치로 이송된다. 분쇄 후에 청크가 포장된 동일한 카드보드 용기를 사용하는 것이 바람직하다.

세정 작업시, HNO₃ 및 HF를 포함하는 세정액을 사용하는 것이 바람직하다.

바람직하게는 폴리실리콘 청크는, 예비 세정 작업에서는 산화 세정액에 의해 1 이상의 단계로 세정되고, 본 세정 작업에서는 HNO₃ 및 HF를 포함하는 세정액에 의해 추가 단계에서 세정되며, 친수화의 경우에는 산화 세정액에 의해 또 다른 추가 단계에서 세정된다. 예비 세정은 바람직하게는 HF/HCl/H₂O₂에 의해 실시된다. 실리콘 표면의 친수화는 바람직하게는 HCl/H₂O₂에 의해 실시된다.

세정 후, 또는 분쇄 직후(세정이 실시되지 않는 경우), 폴리실리콘 청크는 카드보드 용기에 포장된다. 이것은 바람직하게는 기저부, 벽부 및 개구부를 포함하는 카드보드 용기로서, 다결정 실리콘 청크와 접촉하게 되는 적어도 기저부 및 벽부의 내면이 플라스틱으로 코팅되어 있는 것인 카드보드 용기이다. 바람직하게는, 세정 후의 포장에서 사용되는 카드보드 용기는, 청크의 분쇄 후의 포장에서 사용된 것과 동일한 것이다.

카드보드는 셀룰로오스, 목재 펄프 및 재생지로부터 제조된 재료이며, 포장 산업에서는 포장된 상품의 보호에 통상적으로 사용된다. 이것은 기본적으로는 두께가 두꺼운 종이이다. 카드보드는 일반적으로 복수 겹을 갖는데, 즉, 접착제를 사용하는 일 없이 함께 압착되는 여러 겹의 상이한 두께의 종이로 이루어진다.

바람직하게는, 카드보드 용기는 다결정 실리콘 청크로 충전된 후에 밀봉된다. 이는, 역시 카드보드(카드보드 박스 리드)로 이루어진 커버를 사용하여 실시하는 것이 바람직하다. 다결정 실리콘 청크를 마주하는 커버의 내면이 또한 플라스틱으로 코팅되어 있는 것이 더 바람직하다.

플라스틱 코팅은 바람직하게는 50 ㎛ ∼ 500 ㎛의 두께를 갖는다.

사용된 플라스틱은 바람직하게는 100 ppbw 미만의 붕소, 100 ppbw 미만의 인, 및 10 ppbw 미만의 비소를 함유한다.

플라스틱은 바람직하게는 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리우레탄(PU), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 폴리비닐리덴 클로라이드(PVDC) 및 폴리실록산(실리콘)으로 이루어진 군으로부터 선택된다.

카드보드 용기는 플라스틱으로 라이닝, 적층, 분무 또는 증기 코팅되었을 수 있다.

코팅은, 예를 들어 수성 폴리머 분산액으로, 또는 압출 공정으로 실시될 수 있다. 압출 코팅의 경우에는, 폴리머 펠릿이 사용되며, 이것이 액체 열가소성 용융물로 전환된다. 액체 용융물은 캐리어 웹에 적용된다.

바람직하게는, 다결정 실리콘 청크는, 분쇄 단계 후, 선택적인 구분 및 분류 단계 후, 및 선택적인 세정 단계 후의 각 경우에서, 전술한 플라스틱 코팅을 갖는 카드보드 용기에 포장되어 다음 가공 단계로 이송된다.

바람직하게는, 다결정 실리콘 청크는, 마지막 가공 단계 후에, 전술한 플라스틱 코팅을 갖는 카드보드 용기에 포장되어 소비자에게 이송된다.

카드보드 용기는 더 바람직하게는, 제조 공정의 장치들 사이에서 청크를 이송하기 위한 용도와, 소비자에게 이송되는 최종 포장 용기로서의 용도 모두에 사용된다.

이는, 소요 공간의 감소 및 생산성의 증가로 이어진다.

이는 제조 공정에 있어서 큰 장점으로 여겨진다. 비닐백은 사용되지 않는다. 따라서, 선행 기술에서 공지된 문제들을 방지하는 것이 가능하다.

카드보드 박스 크기는 소비자의 요구에 따라 달라질 수 있다.

바람직한 순중량(net weight)은 5 kg ∼ 1200 kg이다.

순중량이 5 kg ∼ 500 kg인 것이 특히 바람직하고, 순중량이 10 kg ∼ 40 kg인 것이 특히 바람직하다.

융통성이 있는 카드보드 박스 크기 때문에, 어떠한 큰 비용 및 불편 없이 기존의 제조 설비를 재구성하는 것도 가능하다.

충전 후, 카드보드 박스는 자동적으로 용접 또는 밀봉될 수 있다.

바람직하게는, 카드보드 용기는 직사각형의 형상을 갖는다. 이는 추가 공정의 자동화를 용이하게 한다.

시판의 팔레트 시스템을 사용하는 것이 가능하고 바람직하다. 카드보드 용기는 바람직하게는 팔레트 상에 고정되고, 더 바람직하게는 결박된다.

특히, 청크 크기 0 ∼ 3의 청크의 포장의 경우에는, 제품 특성에 대한 부작용(오염, 천공, 미세분의 형성)이 전혀 발견되지 않았다.

청크 크기 4 및 5의 청크의 포장의 경우에는, 카드보드 박스의 내면에 250 ㎛ 이상의 플라스틱 코팅 층 두께를 제공하는 것이 이로운 것으로 확인되었다.

포장 동안에, 청크는 용기 내에 바로 투입될 수 있다. 그랩 암(grab arm)을 갖는 표준 규격의 포장기 또는 로봇을 사용할 수 있다. 용기의 충전 동안에 비교적 낮은 정도의 미세분이 발생한다.

용기를 수작업으로 충전하는 경우, 고순도 폴리에틸렌 또는 PU로 제조된 글러브를 사용하는 것이 바람직하다. 글러브를 구성하는 재료는 100 ppbw 미만의 붕소, 100 ppbw 미만의 인 및 10 ppbw 미만의 비소를 함유해야 한다.

선행 기술의 비닐백의 경우에는, 일반적으로는, 예를 들어 성형관에 의해서 또는 백을 칼라 측으로 당김으로써 백을 예비 성형해야 했다. 본 발명에 따른 방법에서는 카드보드 용기가 사용되기 때문에 이를 실시할 필요가 없다. 선행 기술에서 공지된 천공 문제는 발생하지 않는다.

선행 기술에서 필요한, 포장재 손상의 시각적 모니터링이 필요 없다.

카드보드 용기는, 카드보드 용기를 붙들 수 있도록 하기 위해서 용기 외벽에 고정된 조작 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

[발명의 효과]

본 발명은, 보다 저렴하고 보다 경제적으로 실시 가능한, 다결정 실리콘의 제조 방법을 제공한다.

Claims (10)

1. 다결정 실리콘의 제조 방법으로서,
   다결정 실리콘 로드(rod)를 제공하는 단계,
   다결정 실리콘 로드를 다결정 실리콘 청크(chunk)로 분쇄하는 단계, 및
   다결정 실리콘 청크를 기저부, 벽부 및 개구부를 포함하는 카드보드 용기 내에 도입함으로써 다결정 실리콘 청크를 포장하는 단계
   를 포함하며, 다결정 실리콘 청크와 접촉하게 되는 적어도 기저부 및 벽부의 내면이 플라스틱으로 코팅되어 있는 것인 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 플라스틱은 100 ppbw 미만의 붕소, 100 ppbw 미만의 인, 및 10 ppbw 미만의 비소를 함유하는 것인 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 플라스틱은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐리덴 클로라이드 및 폴리실록산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기저부 및 벽부의 내면이 두께 50 ㎛ ∼ 500 ㎛의 플라스틱으로 코팅되어 있는 것인 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, PE 또는 PU로 제조되고 100 ppbw 미만의 붕소, 100 ppbw 미만의 인 및 10 ppbw 미만의 비소를 함유하는 글러브를 착용하고서, 다결정 실리콘 청크를 카드보드 용기 내에 수작업으로 도입하는 것인 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 다결정 실리콘 청크를 특정 크기 부류들로 구분 및 분류하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 구분 및 분류된 다결정 실리콘 청크를 세정하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 다결정 실리콘 청크는, 분쇄 단계 후, 선택적인 구분 및 분류 단계 후, 및 선택적인 세정 단계 후의 각 경우에서, 내면에 플라스틱 코팅을 갖는 카드보드 용기에 포장하여 다음 가공 단계로 이송하는 것인 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 다결정 실리콘 청크는 내면에 플라스틱 코팅을 갖는 카드보드 용기에 포장하여 소비자에게 이송하는 것인 제조 방법.
10. 제9항에 있어서, 수 개의 카드보드 용기가 팔레트 상에 고정되어 소비자에게 이송되는 것인 제조 방법.