KR20170025477A - 폴리실리콘 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 로드 브릿지가 배치되는 실리콘 로드의 상부를 냉각하여 화학기상증착 반응 공정의 전반에서 팝콘 발생을 방지하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는, 베이스 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기, 상기 베이스에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자, 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 원료 가스의 화학기상증착으로 폴리실리콘의 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트, 및 상기 로드 브릿지 및 상기 로드 필라멘트 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드에 냉각 가스를 분사하는 냉각분사 노즐을 포함한다.

Description

폴리실리콘 제조 장치 {POLYSILICON MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 폴리실리콘 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘이 로드 브릿지(rod bridge)에 증착되어 형성되는 실리콘 로드의 상부를 냉각하는 폴리실리콘 제조 장치에 관한 것이다.
다결정 상태의 실리콘, 즉, 폴리실리콘(polysilicon 또는 polycrystalline silicon)은 태양광 발전산업 및 반도체 산업의 기초 원료로 사용되는 성분으로서, 최근 해당 산업 분야의 발전과 함께 그 수요가 비약적으로 증가하는 추세를 보이고 있다. 이러한 폴리실리콘의 제조 방법에는 실란 원료 가스로부터 고체 상태의 폴리실리콘을 형성시키는 실리콘 석출공정(또는 화학기상증착 공정)이 대표적이다.
실리콘 석출공정은 실란 원료 가스를 고온에서 수소환원반응 및 열분해를 통해 실리콘 미립자를 생성시키고, 실리콘 미립자를 로드(rod) 또는 입자의 표면에서 다결정 상태로 형성시켜 석출한다. 일례로써, 화학기상증착 반응기(chemical vapor deposition reactor)를 이용한 지멘스(simens) 석출법과, 유동층 반응기(fluidized bed reactor)를 이용하는 석출법 등이 있다.
지멘스 화학기상증착 반응기는 폴리실리콘 제조 공정의 핵심 장비로써 배치(batch) 공정 장비이다. 화학기상증착 방법은 반응기 내에 7~10mm 직경 및 2500~3000mm 길이의 실리콘 필라멘트(Si filament)를 설치하고, 실리콘 필라멘트에 전력을 인가하여 저항 발열을 일으키며, 고압 조건에서 60~80시간 정도로 투입 가스를 넣어 직경 120~150mm의 실리콘 로드(Si rod)를 생산한다.
도 16을 참조하면, 화학기상증착 반응기로 실리콘 증착 시, 기체 유동이나 반응기의 구조에 따라 발생하는 실리콘 로드의 표면에 고온부가 발생될 수 있다. 도 16의 (a)의 정상 실리콘 로드(161)의 매끄러운 표면에 비하여, (b)의 실리콘 로드(162)는 고온부에서 매끄럽지 못한 팝콘(popcorn)(163)을 형성한다.
팝콘(163)은 실리콘 로드(162)의 품질을 저하시켜 폴리실리콘의 판매가를 저하시킨다. 실리콘 로드(162)에서 발생한 팝콘(163)은 아크를 발생시킨다. 아크로 인한 고온은 실리콘을 용융시켜 화학기상증착 반응기의 바닥에 떨어져 공정 중단의 원인이 된다. 즉 팝콘(163)은 폴리실리콘 생산에서 큰 경제적 손실을 유발한다.
본 발명의 목적은 로드 브릿지가 배치되는 실리콘 로드의 상부를 냉각하여 화학기상증착 반응 공정의 전반에서 팝콘 발생을 방지하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는, 베이스 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기, 상기 베이스에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자, 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 원료 가스의 화학기상증착으로 폴리실리콘의 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트, 및 상기 로드 브릿지 및 상기 로드 필라멘트 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드에 냉각 가스를 분사하는 냉각분사 노즐을 포함한다.
상기 냉각분사 노즐은 상기 로드 브릿지와 설정된 간격으로 이격된 하부 측방에서 상기 로드 브릿지에 증착되는 실리콘에 냉각 가스를 분사할 수 있다.
상기 냉각분사 노즐은 상기 반응기 또는 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관, 상기 배관의 단부에 연결되는 판상의 노즐 바디, 및 상기 노즐 바디의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함할 수 있다.
상기 배관은 상기 베이스에서 상향 설치되어 단부에 상기 노즐 바디와 연결되고, 상기 노즐 바디는 상기 배관의 반대측에서 상향하는 단위 노즐팁을 더 구비할 수 있다.
상기 배관은 상기 베이스에 구비되어 원료 가스를 유입하는 가스 유입구들 중 하나에 설치되거나 상기 가스 유입구들과 별도로 상기 베이스에 설치될 수 있다.
상기 배관은 상기 반응기의 상방에서 하향 설치되어 단부에 상기 노즐 바디와 연결되고, 상기 노즐 바디는 상기 배관의 반대측에서 하향하는 단위 노즐팁을 더 구비할 수 있다.
상기 배관은, 상기 노즐 바디의 상기 단위 노즐팁에 냉각 가스를 공급하는 가스 통로 및 상기 가스 통로의 외측에 2중으로 구비되어 냉각수를 순환시켜 상기 냉각 가스를 냉각시키는 냉각수 통로를 포함할 수 있다.
상기 냉각분사 노즐은 인콜로이(Incoloy 800H, Incoloy 800), 스테인레스 스틸(SS316L, SS316) 및 하스텔로이(Hastelloy) 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 냉각분사 노즐은 상기 냉각 가스와 상기 원료 가스를 함께 분사할 수 있다.
상기 냉각 가스는 H2 또는 HCl을 포함할 수 있다.
상기 냉각 가스는 디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS), 모노실란(monosilane), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 중 하나인 실란화합물을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각 가스는 상기 실리콘 로드의 표면 온도보다 낮게 공급되는 원료 가스로 이루어질 수 있다.
상기 냉각분사 노즐은 상기 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관, 상기 배관의 단부에 연결되고 설정된 길이를 가지는 노즐 바디, 및 상기 노즐 바디의 외주에 상기 배관의 길이 방향으로 설정된 높이 차이로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함할 수 있다.
상기 단위 노즐팁들 중 상기 배관의 하부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 하향하고, 상기 배관의 상부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 상향하며, 상기 배관의 중간에 배치되는 단위 노즐팁은 수평을 향할 수 있다.
상기 냉각분사 노즐은 상기 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관, 상기 배관 상에 상기 배관의 길이 방향으로 설정된 높이 차이로 배치되는 노즐 바디, 및 상기 노즐 바디의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 냉각분사 노즐을 구비하여 로드 브릿지 및 로드 필라멘트 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드에 냉각 가스를 분사하여 실리콘 로드의 상부 또는 하부를 냉각하므로 화학기상증착 반응 공정 전반에서 팝콘 발생을 방지할 수 있다. 따라서 실리콘 로드의 품질이 향상되고, 폴리실리콘의 판매가가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 개략적인 평면도이다.
도 2는 도 1의 폴리실리콘 제조 장치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 적용되는 폴리실리콘 제조 장치(지멘스 방식의 화학기상증착 반응기)의 주요 부분을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1에서 실리콘 로드와 냉각분사 노즐의 관계를 도시한 작동 상태도이다.
도 5는 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 평면도이다.
도 6은 도 5의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에서 실리콘 로드와 냉각분사 노즐의 관계를 도시한 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 9는 도 8에 적용되는 냉각분사 노즐의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 냉각분사 방향이 6방향(a)과 12방향(b)일 때 시뮬레이션 한 기체속도 분포도이다.
도 11은 도 10의 냉각분사 방향이 6방향(a)과 12방향(b)일 때 냉각분사 노즐 주위에서의 기체속도 분포도이다.
도 12는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b, c)와 종래의 방식(a)을 비교하고자 시뮬레이션 한 기체 벡터의 분포도이다.
도 13은 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b, c)와 종래의 방식(a)을 비교하고자 시뮬레이션 한 기체 온도의 분포도이다.
도 14는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b)와 종래 방식(c)을 비교하고자 시뮬레이션 한 실리콘 로드의 표면 온도 분포도이다.
도 15는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(a, b) 시, 배관과 냉각분사 노즐의 온도를 시뮬레이션 한 표면 온도 분포도이다.
도 16은 종래기술에 따른 폴리실리콘 제조 장치로 제조된 정상 실리콘 로드(a)와 팝콘(popcorn)을 형성한 실리콘 로드(b)의 사진이다.
도 17은 제3실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 18은 제4실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 19는 제5실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 20은 제6실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 개략적인 평면도이고, 도 2는 도 1의 폴리실리콘 제조 장치의 개략적인 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는 반응기(10) 내에 구비되는 실리콘 로드(40)에 냉각 가스를 분사하는 냉각분사 노즐(50)을 구비한다.
냉각분사 노즐(50)은 냉각 가스만 분사할 수도 있고, 냉각 가스와 원료 가스를 함께 분사할 수도 있다. 즉 냉각분사 노즐(50)은 원료 가스를 낮은 온도로 공급하는 경우 원료 가스만 분사할 수도 있다.
일례를 들면, 냉각 가스는 H2 또는 HCl을 포함할 수 있다. H2 또는 HCl는 원료 가스에 의한 실리콘 로드(40)의 형성에 영향을 미치지 않고, 증착된 실리콘 로드(40)의 냉각 작용만을 구현한다. 냉각분사 노즐(50)은 적어도 100m/s의 기체 속도로 냉각 가스를 분사하여, 실리콘 로드(40)를 냉각시킬 수 있다. 또한, 원료가스는 낮은 온도의 빠른 속도로 공급되면 냉각 가스로 활용될 수 있다.
또한, 냉각 가스는 디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS), 모노실란(monosilane), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 중 하나인 실란화합물을 더 포함할 수 있다. DCS, TCS 및 모노실란과 같은 실란화합물은 실리콘 로드(40)의 냉각 작용을 실현하면서 동시에 실리콘 로드(40)의 증착 원료로도 작용한다.
도 3은 도 1 및 도 2에 적용되는 폴리실리콘 제조 장치(지멘스 방식의 화학기상증착 반응기)의 주요 부분을 도시한 단면도이다. 도 3을 참조하면, 폴리실리콘 제조 장치는 반응 챔버(11)를 형성하는 반응기(10), 베이스(21)에 설치되는 1쌍의 전극단자(20) 및 전극단자(20)에 설치되어 상단에서 로드 브릿지(31)로 연결되는 1쌍의 로드 필라멘트(30)를 포함한다.
반응기(10)는 벨형 반응기로 구성되어 베이스(21) 상에 반응 챔버(11)를 형성하고, 베이스(21)에 가스 밀폐 구조로 결합된다. 반응기(10)는 반응 챔버(11)를 형성하는 벨 자(bell jar)(12), 벨 자(12)와 이격되어 서로의 사이로 냉각제를 흐르게 하는 챔버 커버(13)를 포함한다.
베이스(21)는 반응기(10)와 결합되어 반응 챔버(11)를 형성하고, 가스 유입구(gas inlet)(22)와 가스 배출구(gas outlet)(23)를 구비한다. 따라서 실리콘 함유 가스원(미도시)에 연결된 가스 유입구(22)를 통해 원료 가스가 반응 챔버(11) 안으로 유입되고, 화학기상증착 반응을 거친 가스가 가스 배출구(23)를 통해 반응 챔버(11) 밖으로 배출된다.
편의상, 가스 유입구(22)는 베이스(21)의 중앙에 도시되어 있으나 실제로 베이스(21)의 복수 위치에 형성되어 있다. 따라서 도 1 및 도 2의 냉각분사 노즐(50)이 베이스(21)에 설치되는 경우, 가스 유입구(22)는 냉각분사 노즐(50)의 주위에 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스 유입구(22)가 베이스(21)의 중앙에 구비되는 경우, 가스 유입구(22)의 노즐을 제거하고 가스 유입구(22)의 배관을 연장하여 냉각 가스를 분사하는 냉각분사 노즐(미도시)을 설치할 수도 있다.
1쌍의 전극단자(electrical feedthroughs)(20, 20)는 베이스(21)의 외부에서 반응 챔버(11)으로 내부로 연장된다. 전극단자(20)의 단부에 로드 지지대(24)로 지지되는 전극(25)이 연결된다.
로드 필라멘트(rod filaments)(30)는 반응 챔버(11) 내에서 1쌍 이상으로 구비된다. 구체적으로 보면, 로드 필라멘트(30)는 반응 챔버(11) 내에서 서로 이격되어, 직립된 두 개로 구비되어 상단에서 로드 브릿지(31)에 의하여 수평으로 연결된다.
그리고 1쌍의 로드 필라멘트(30)는 하단에서 전극(25) 및 전극단자(20)를 통하여 외부의 전기 에너지 공급원에 연결된다. 따라서 1쌍의 로드 필라멘트(30)는 로드 브릿지(31)와 함께 하나의 전기 회로를 형성한다.
전기단자(20) 및 전극(25)을 통하여, 로드 필라멘트(30)에 전류를 흘려주는 한편, 원료 가스를 반응 챔버(11) 안으로 공급하면, 로드 필라멘트(30)가 가열되면서, 반응 챔버(11) 내에서는 원료 가스에 포함된 염화실란계 화합물이 열분해 반응된다.
폴리실리콘은 빨갛게 달아오른 로드 필라멘트(30) 및 로드 브릿지(31)의 표면에 염화실란계 화합물의 분해 후 화학기상증착(CVD)에 의해 형성된다. 로드 필라멘트(30) 및 로드 브릿지(31)의 표면부에 폴리실리콘이 다결정 형태로 석출되므로 실리콘 로드(40) 및 로드 브릿지(31)가 원하는 크기의 직경으로 증가될 수 있다.
이와 같이, 로드 필라멘트(30) 및 로드 브릿지(31)에 폴리실리콘이 석출되어 실리콘 로드(40)를 형성할 때, 냉각분사 노즐(50)은 실리콘 로드(40)에 냉각 가스를 분사하여, 로드 브릿지(31) 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드(40)를 냉각한다.
실리콘의 석출 온도 등을 감안하여, 원료 가스로 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS)(SiHCl3 + H2 → Si + SiHCl3 + SiCl4 + HCl + H2), 디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 또는 모노실란(monosilane) (SiH4 → Si + H2)이 사용될 수 있다.
도 4는 도 1에서 실리콘 로드와 냉각분사 노즐의 관계를 도시한 작동 상태도이다. 도 4를 참조하면, 냉각분사 노즐(50)은 로드 브릿지(31)와 설정된 간격(H)으로 이격된 하부 측방에서 로드 브릿지(31)에 증착되는 실리콘에 냉각 가스를 분사한다. 냉각분사 노즐(50)은 반응기(10)의 하방에서 상향 설치된다.
도 5는 제1실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 평면도이고, 도 6은 도 5의 측면도이다. 편의상, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 냉각분사 노즐(50)은 베이스(21)에 설치되는 배관(51), 배관(51)의 단부에 연결되는 판상의 노즐 바디(52), 및 노즐 바디(52)의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들(53)을 포함한다.
단위 노즐팁들(53)은 로드 브릿지(31)와 설정된 간격(H)으로 이격된 하부 측방에서 로드 브릿지(31)에 증착되는 실리콘에 냉각 가스를 분사하여 로드 실리콘(40)의 상부가 가열되는 것을 방지한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 배관(51)은 베이스(21)에서 상향 설치되어 단부에 노즐 바디(52)와 연결된다. 이때, 배관(51)은 베이스(21)의 중앙에 가스 유입구가 없는 경우 새롭게 설치될 수 있다.
노즐 바디(52)는 배관(51)의 반대측에서 상향하는 단위 노즐팁(54)을 더 구비한다. 상향하는 단위 노즐팁(54)은 반응기(10) 및 반응 챔버(11)에서 냉각분사 노즐(50)의 상부가 가열되는 것을 방지하여, 로드 실리콘(40)의 상부가 가열되는 것을 방지한다.
냉각분사 노즐(50), 또한 배관(51), 노즐 바디(52) 및 단위 노즐팁들(53, 54)은 인콜로이(Incoloy 800H, Incoloy 800), 스테인레스 스틸(SS316L, SS316) 또는 하스텔로이(Hastelloy)로 형성될 수 있다.
이 재질들은 석출되는 폴리실리콘의 순도에 영향을 미치지 않으며, 고온(일례를 들면, 1000℃ 이상) 안정성을 가지며, 내부식성을 가지고, 가공이 용이하며, 가격이 저렴한 특징을 가진다.
편의상, 제2실시예를 제1실시예와 같이 설명한다. 제1실시예와 비교하여 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에서 실리콘 로드와 냉각분사 노즐의 관계를 도시한 작동 상태도이고, 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제2실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에서 냉각분사 노즐(250)은 반응기(10)의 상방에서 하향 설치된다.
냉각분사 노즐(250)은 반응기(10)에 설치되는 배관(251), 배관(251)의 단부에 연결되는 판상의 노즐 바디(252), 및 노즐 바디(252)의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들(253)을 포함한다.
단위 노즐팁들(253)은 로드 브릿지(31)와 설정된 간격(H)으로 이격된 하부 측방에서 로드 브릿지(31)에 증착되는 실리콘에 냉각 가스를 분사하여 로드 실리콘(40)의 상부가 가열되는 것을 방지한다.
배관(251)은 반응기(10)의 상방에서 하향 설치되어 단부에 노즐 바디(252)와 연결된다. 노즐 바디(252)는 배관(251)의 반대측에서 하향하는 단위 노즐팁(254)을 더 구비한다. 하향하는 단위 노즐팁(254)은 반응기(10) 및 반응 챔버(11)에서 냉각분사 노즐(250)의 하부가 가열되는 것을 방지한다.
도 9는 도 8에 적용되는 냉각분사 노즐의 단면도이다. 편의상 도 9를 참조하면, 배관(251)은 노즐 바디(252)의 단위 노즐팁(253, 254)에 냉각 가스를 공급하는 가스 통로(255), 및 가스 통로(255)를 냉각하는 냉각수 통로(256)를 구비한다.
냉각수 통로(256)는 가스 통로(255)의 외측에 2중으로 구비되어 저온 냉각수를 공급하여 가스 통로(255)을 냉각하면서 고온 냉각수로 순환시켜, 노즐 바디(252)로 공급되는 냉각 가스를 냉각시킨다. 따라서 냉각 가스는 저온 상태를 유지하면서 로드 브릿지(31) 주위에 형성되는 실리콘 로드(40)에 분사되어 로드 브릿지(31)가 위치하는 실리콘 로드(40)의 상부를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 냉각분사 방향이 6방향(a)과 12방향(b)일 때 시뮬레이션 한 기체속도 분포도이다.
도 10을 참조하면, 냉각분사 노즐(50, 250)에서, 단위 노즐팁(53, 253)을 6개 개방하여 평면에서 등간격의 6방향(a)으로 냉각 기체(예를 들면, 냉각 가스 또는 원료 가스일 수 있다)를 분사하는 경우와, 단위 노즐팁(53, 253)을 12개 개방하여 평면에서 등간격의 12방향(b)으로 냉각 기체를 분사하는 경우, 반응기(10) 반응 챔버(11)의 수직 방향에 대한 기체 속도 변화를 알 수 있다.
즉 양자를 비교하면, 반응기(10) 반응 챔버(11) 내의 수직 방향에서 기체속도 변화가 6방향(a)에서 크고, 12방향(b)에서 작다. 즉 기체속도 분포는 6방향(a)에 비하여, 12방향(b)일 때 더 균일한 것을 알 수 있다.
도 11은 도 10의 냉각분사 방향이 6방향(a)과 12방향(b)일 때 냉각분사 노즐 주위에서의 기체속도 분포도이다. 도 10을 참조하면, 냉각분사 노즐(50, 250)에서, 단위 노즐팁(53, 253)을 6개 개방하여 6방향(a)으로 냉각 기체를 분사하는 경우와, 단위 노즐팁(53, 253)을 12개 개방하여 12방향(b)으로 냉각 기체를 분사하는 경우, 반응기(10)의 수평 방향에 대한 기체 속도 변화를 알 수 있다.
즉 양자를 비교하면, 반응기(10) 내의 수평 방향에서 6방향(a)일 때, 실리콘 로드 중 일부만 냉각 효과를 받고, 일부는 받지 못하고, 12방향(b)일 때, 대부분의 실리콘 로드에 냉각 효과를 준다. 즉 냉각 효과 분포는 6방향(a)에 비하여, 12방향(b)일 때 더 균일한 것을 알 수 있다. 따라서 냉각분사 방향은 사용하고자 하는 반응기(10)의 구조에 따라 달라질 수 있다.
도 12는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b, c)와 종래의 방식(a)을 비교하고자 시뮬레이션 한 기체 벡터의 분포도이다.
도 12를 참조하면, 종래의 방식(a)은 냉각분사 노즐을 구비하지 않으므로 반응기(310)의 베이스(미도시)에서 원료 기체를 공급함에 따라 반응기(310)의 베이스에서 벨 자(312)에 이르는 긴 흐름의 3.35m/s 기체 벡터(a1)를 형성한다.
이에 비하여, 제1실시에 따른 냉각분사 노즐(50)이 베이스(21)에서 상향 설치되는 경우(b), 반응기(10)의 베이스(21)에서 원료 기체를 공급함에 따라 반응기(10)의 베이스(21)에서 냉각분사 노즐(50)에 이르는 한 흐름의 2.29m/s 기체 벡터(b1)가 형성되고, 냉각분사 노즐(50)에서 냉각 기체를 분사함에 따라 반응기(10) 벨 자(12)의 정점에 이르는 다른 흐름의 기체 벡터(b2)가 형성되며, 냉각분사 노즐(50)의 상방에서 한 흐름의 기체 벡터(b1)의 상부와 다른 흐름의 기체 벡터(b2)의 측방과 반응기(10) 벨 자(12) 사이에서 교차하는 또 다른 흐름의 기체 벡터(b3)가 형성된다.
원료 기체에 의한 기체 흐름 벡터(b1)에 냉각 기체에 의한 기체 흐름 벡터(b2, b3)가 더해짐에 따라 로드 브릿지(31) 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드(40)의 상부가 효과적으로 냉각될 수 있다.
또한 제2실시에 따른 냉각분사 노즐(250)이 반응기에서 하향 설치되는 경우(c), 반응기(10)의 베이스(21)에서 원료 기체를 공급함에 따라 반응기(10)의 베이스(21)에서 냉각분사 노즐(250)에 이르는 한 흐름의 2.09m/s 기체 벡터(c1)가 형성되고, 냉각분사 노즐(250)에서 냉각 기체를 분사함에 따라 냉각분사 노즐(250)에서 베이스(21)에 이르는 다른 흐름의 기체 벡터(c2)가 형성되며, 냉각분사 노즐(250)의 상부인 반응기(10) 벨 자(12)의 정점에서 냉각분사 노즐(250)에 이르는 또 다른 흐름의 기체 벡터(c3)가 형성된다.
원료 기체의 흐름에 의한 기체 벡터(c1)에 냉각 기체의 흐름에 의한 기체 벡터(c2, c3)가 더해짐에 따라 로드 브릿지(31) 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드(40)의 상부가 효과적으로 냉각될 수 있다.
도 13은 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b, c)와 종래의 방식(a)을 비교하고자 시뮬레이션 한 기체 온도의 분포도이다.
도 13을 참조하면, 종래의 방식(a)은 원료 기체를 공급하는 반응기(310)의 베이스(미도시)에서 최저 기체 온도 분포를 형성하고, 반응기(310)의 상부(319)에서도 높은 기체 온도 분포를 형성한다.
이에 비하여, 제1실시에 따른 냉각분사 노즐(50)이 베이스(21)에서 상향 설치되는 경우(b), 배관(51) 주위 및 냉각분사 노즐(50)의 상부(19)에서 최저 기체 온도 분포를 형성한다. 즉 로드 브릿지(31) 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드(40)가 효과적으로 냉각될 수 있다.
또한 제2실시에 따른 냉각분사 노즐(250)이 반응기에서 하향 설치되는 경우(c), 배관(251) 주위 및 냉각분사 노즐(50)의 상부(219)에서 최저 기체 온도 분포를 형성한다. 즉 로드 브릿지(31) 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드(40)가 효과적으로 냉각될 수 있다.
도 14는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(b)와 종래 방식(c)을 비교하고자 시뮬레이션 한 실리콘 로드의 표면 온도 분포도이다.
도 14를 참조하면, 종래의 방식(a)에서 실리콘 로드(340)의 표면 온도 분포에 비하여, 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐(50, 250)를 구비하는 경우, 실리콘 로드(40)의 표면 온도 분포가 더 낮게 나타난다.
또한 종래의 방식(a)에서 실리콘 로드(340)의 로드 브릿지(331) 주위의 표면 온도 분포에 비하여, 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐(50, 250)를 구비하는 경우, 실리콘 로드(40)의 로드 브릿지(31) 주위의 표면 온도가 더 낮게 나타난다. 즉 동일 조건에서, 제1, 제2실시예는 종래에 비하여 실리콘 로드(340) 상하부 간의 온도 편차가 줄어들므로 실리콘 로드(340)의 온도를 더 높일 수 있다. 따라서 제1, 제2실시예는 생산량을 향상시키고, 전기원단위를 절감할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제1, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐의 배치(a, b) 시, 배관과 냉각분사 노즐의 온도를 시뮬레이션 한 표면 온도 분포도이다.
한편, 도 15를 참조하면, 제1실시예에 따른 냉각분사 노즐(50)은 베이스(21)에 설치되어 반응기(10)의 반응 챔버(11) 내에서 상향되고, 제2실시예에 따른 냉각분사 노즐(250)은 반응기(10)의 벨 자(12)에 설치되어 반응기(10)의 반응 챔버(11) 내에서 하향된다.
제1, 제2실시예를 비교하면, 제1실시예의 냉각분사 노즐(50)의 표면 온도(약 300℃)에 비하여, 제2실시예의 냉각분사 노즐(250)의 표면 온도(약 200℃)가 더 낮게 나타난다. 따라서 반응기(10)의 상부 벨 자(12)에서 하향 설치하는 냉각분사 노즐(250)이 베이스(21)에서 상향 설치하는 냉각분사 노즐(50)보다 실리콘 로드(40)의 로드 브릿지(31) 주위의 표면 온도를 낮추기 위하여 냉각 기체를 공급하는데 더 유리하다는 것을 알 수 있다.
도 17은 제3실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이고, 도 18은 제4실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 제3, 제4실시예의 냉각분사 노즐(350, 450)에서, 배관(351, 451)은 반응기 또는 베이스에 상하 방향으로 설치된다. 배관(351)은 베이스에 상향 설치되고, 배관(451)은 반응기에 하향 설치될 수 있다.
노즐 바디(352, 452)는 배관(351, 451)의 단부에 연결되고 배관(351, 451)의 높이 방향으로 설정된 길이를 가진다. 단위 노즐팁들(353, 453)은 노즐 바디(352, 452)의 외주에 배관(351, 451)의 길이 방향으로 설정된 높이 차이로 배치되어 냉각 기체를 분사한다.
또한, 단위 노즐팁들(353, 453)은 제1, 제2 실시예의 단위 노즐팁들(53, 253)와 같이, 노즐 바디(352, 452)의 외주에 원주 방향으로 배치된다. 즉 제3, 제4 실시예에서 냉각분사 노즐(350, 450)은 실리콘 로드의 길이 방향의 설정된 범위에 냉각 기체를 분사할 수 있다.
단위 노즐팁들(353, 453) 중에서, 배관 배관(351, 451)의 하부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 하향하여 냉각 기체를 분사한다. 배관 배관(351, 451)의 상부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 상향하여 냉각 기체를 분사한다. 그리고 배관 배관(351, 451)의 중간에 배치되는 단위 노즐팁은 수평을 향하여 냉각 기체를 분사한다.
도 19는 제5실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이고, 도 20은 제6실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치에 적용되는 냉각분사 노즐의 측면도이다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 제5, 제6실시예의 냉각분사 노즐(550, 650)에서, 배관(551, 651)은 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치된다. 배관(551)은 베이스에 상향 설치되고, 배관(651)은 반응기에 하향 설치될 수 있다.
노즐 바디(552, 652)는 복수로 구비되어 배관(551, 651) 상에 배관(551, 651)의 길이 방향으로 설정된 높이 차이를 배치된다. 단위 노즐팁들(553, 653)은 노즐 바디(552, 652) 각각의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 기체를 분사한다. 즉 제5, 제6실시예에서 냉각분사 노즐(550, 650)은 실리콘 로드의 길이 방향의 설정된 범위에 냉각 기체를 분사할 수 있다.
또한, 제3 내지 제6실시예의 냉각분사 노즐(350, 450, 550, 650)은 각각 상향 또는 하향하는 단위 노즐팁(354, 454, 554, 654)을 더 구비하여, 제1, 제2 실시예의 단위 노즐 팁(54, 254)과 같이 냉각 기체를 상향 또는 하향 분사할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 반응기 11: 반응 챔버
12: 벨 자(bell jar) 13: 챔버 커버
20: 전극단자(electrical feedthroughs) 21: 베이스
22: 가스 유입구(gas inlet) 23: 가스 배출구(gas outlet)
24: 로드 지지대 25: 전극
30: 로드 필라멘트 31: 로드 브릿지
40: 실리콘 로드 50, 250: 냉각분사 노즐
51, 251: 배관 52, 252: 노즐 바디
53, 253, 54, 254: 단위 노즐팁 255: 가스 통로
256: 냉각수 통로 350, 450, 550, 650: 냉각분사 노즐
351, 451, 551, 651: 배관 352, 452, 552, 652: 노즐 바디
353, 354, 453, 454, 553, 554, 653, 654: 단위 노즐팁
a1: 기체 벡터 b1, b2, b3: 기체 벡터
c1, c2, c3: 기체 벡터

Claims (15)

  1. 베이스 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기;
    상기 베이스에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자;
    상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 원료 가스의 화학기상증착으로 폴리실리콘의 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트; 및
    상기 로드 브릿지 및 상기 로드 필라멘트 주위에 증착되는 실리콘으로 형성되는 실리콘 로드에 냉각 가스를 분사하는 냉각분사 노즐
    을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    상기 로드 브릿지와 설정된 간격으로 이격된 하부 측방에서 상기 로드 브릿지에 증착되는 실리콘에 냉각 가스를 분사하는 폴리실리콘 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    상기 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관,
    상기 배관의 단부에 연결되는 판상의 노즐 바디, 및
    상기 노즐 바디의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배관은
    상기 베이스에 구비되어 원료 가스를 유입하는 가스 유입구들 중 하나에 설치되거나 상기 가스 유입구들과 별도로 상기 베이스에 설치되는 폴리실리콘 제조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배관은
    상기 베이스에서 상향 설치되어 단부에 상기 노즐 바디와 연결되고,
    상기 노즐 바디는
    상기 배관의 반대측에서 상향하는 단위 노즐팁을 더 구비하는 폴리실리콘 제조 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 배관은
    상기 반응기의 상방에서 하향 설치되어 단부에 상기 노즐 바디와 연결되고,
    상기 노즐 바디는
    상기 배관의 반대측에서 하향하는 단위 노즐팁을 더 구비하는 폴리실리콘 제조 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 배관은
    상기 노즐 바디의 상기 단위 노즐팁에 냉각 가스를 공급하는 가스 통로, 및
    상기 가스 통로의 외측에 2중으로 구비되어 냉각수를 순환시켜 상기 냉각 가스를 냉각시키는 냉각수 통로를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    인콜로이(Incoloy 800H, Incoloy 800), 스테인레스 스틸(SS316L, SS316) 및 하스텔로이(Hastelloy) 중 하나로 형성되는 폴리실리콘 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    상기 냉각 가스와 상기 원료 가스를 함께 분사하는 폴리실리콘 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 가스는
    H2 또는 HCl을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각 가스는
    디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS), 모노실란(monosilane), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 중 하나인 실란화합물을 더 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 가스는
    상기 실리콘 로드의 표면 온도보다 낮게 공급되는 원료 가스로 이루어지는 폴리실리콘 제조 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    상기 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관,
    상기 배관의 단부에 연결되고 설정된 길이를 가지는 노즐 바디, 및
    상기 노즐 바디의 외주에 상기 배관의 길이 방향으로 설정된 높이 차이로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단위 노즐팁들 중 상기 배관의 하부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 하향하고,
    상기 배관의 상부에 배치되는 단위 노즐팁은 설정된 각도로 상향하며,
    상기 배관의 중간에 배치되는 단위 노즐팁은 수평을 향하는 폴리실리콘 제조 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 냉각분사 노즐은
    상기 반응기 또는 상기 베이스에 상하 방향으로 설치되는 배관,
    상기 배관 상에 상기 배관의 길이 방향으로 설정된 높이 차이로 배치되는 노즐 바디, 및
    상기 노즐 바디의 외주에 설정된 간격으로 배치되어 냉각 가스를 분사하는 단위 노즐팁들을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
KR1020150121963A 2015-08-23 2015-08-28 폴리실리콘 제조 장치 KR101895526B1 (ko)

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