KR20170053613A - 다결정 실리콘 제조용 반응로, 다결정 실리콘 제조 장치, 다결정 실리콘의 제조 방법, 및 다결정 실리콘 봉 또는 다결정 실리콘 괴 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로는, 반응로의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내단면적(S0)과, 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합(SR)으로 정의 부여되는 반응 공간 단면적비(S=[S0-SR]/SR)가, 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있도록 설계된다. 이와 같은 반응로는, 다결정 실리콘 봉이 지름 확대되더라도 충분한 노 내 반응 공간을 갖고 있기 때문에, 반응로 내의 가스의 적정한 순환이 유지된다. 그 결과, 다결정 실리콘 봉의 지름이 확대된 경우에 있어서도, 실리콘 석출 경계층 내의 반응 가스 농도와 가스 온도를 적정한 범위로 제어하는 것이 가능하다.

Description

다결정 실리콘 제조용 반응로, 다결정 실리콘 제조 장치, 다결정 실리콘의 제조 방법, 및 다결정 실리콘 봉 또는 다결정 실리콘 괴{REACTION FURNACE FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON, APPARATUS FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON, METHOD FOR PRODUCING POLYCRYSTALLINE SILICON, AND, POLYCRYSTALLINE SILICON ROD OR POLYCRYSTALLINE SILICON INGOT}
본 발명은 다결정 실리콘의 제조 기술에 관한 것이고, 보다 상세하게는, 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하기 위한 반응로의 구조 및 이 반응로를 이용한 다결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.
다결정 실리콘은, 반도체 디바이스 제조용 단결정 실리콘 기판이나 태양 전지 제조용 실리콘 기판의 원료이다. 일반적으로, 다결정 실리콘의 제조는, 클로로실레인을 포함하는 원료 가스를 가열된 실리콘 심선에 접촉시켜, 당해 실리콘 심선의 표면에 화학 기상 반응법(CVD: Chemical Vapor Deposition)에 의해 다결정 실리콘을 석출시키는 지멘스법에 의해 행해진다.
지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하는 경우, 돔형의 반응 용기(벨자) 내에, 연직 방향으로 2본과 수평 방향으로 1본의 실리콘 심선을 기둥문(鳥居)형(역U자형)으로 조립해서, 이 기둥문형 실리콘 심선의 단부의 각각을 심선 홀더에 수용하고, 이들 심선 홀더를 베이스 플레이트 상에 마련한 한 쌍의 금속 전극에 고정한다. 금속 전극을 통해서 통전하는 것에 의해 실리콘 심선이 통전 가열되고, 이 실리콘 심선에 원료 가스가 접촉하는 것에 의해 다결정 실리콘의 석출이 생겨, 다결정 실리콘 봉이 얻어진다. 한편, 일반적인 반응로에서는, 베이스 플레이트 상에 복수 조(組)의 기둥문형 실리콘 심선이 배치되는 구성으로 이루어져 있다.
벨자의 내부 공간은 베이스 플레이트로 밀폐되고, 이 밀폐 공간이 다결정 실리콘의 기상 성장 반응 공간이 된다. 실리콘 심선 통전용의 금속 전극은 절연물을 협지하고 베이스 플레이트를 관통하여, 벨자 하방에 마련된 전원에 접속되거나, 또는, 벨자 내에 배치되어 있는 다른 기둥문형 실리콘 심선으로의 통전용 금속 전극에 접속된다.
기둥문형 실리콘 심선 이외의 부분으로의 다결정 실리콘의 석출 방지, 및 반응로를 구성하는 부재가 과잉된 고온이 되어서 손상되는 것을 방지하기 위해, 금속 전극, 베이스 플레이트, 및 벨자는, 물 등의 냉매 및 오일 등의 열매에 의해 냉각된다. 한편, 심선 홀더는 금속 전극을 통해서 냉각된다.
그런데, 근년에는, 다결정 실리콘의 수요 증대에 수반하여, 생산량을 높이기 위한 반응로의 대형화가 진행되어, 1배치로 다량의 다결정 실리콘을 석출시키는 방법이 채용되어 오고 있다. 이 경향에 수반하여, 반응로 내에 배치하는 실리콘 심선의 수도 많아지고 있다. 이와 같은 대형 반응로의 구성은, 예를 들면 일본 특허공개 2006-206387호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있다.
또한, 다결정 실리콘의 고품질화에 대한 요구도 해마다 엄격해지고 있어, 더한층의 저(低)불순물화의 요청에 더하여, 결정 특성의 제어도 요구되어 오고 있다.
벨자 내에 설치하는 실리콘 심선의 수가 많아지면, 노 내에서 육성 중인 각각의 다결정 실리콘 봉의 표면에 원료 가스를 안정적으로 공급하는 것이 곤란해진다. 원료 가스의 공급이 불균일하게 되면, 실리콘 봉의 표면에 요철이 발생하고, 그 결과, 실리콘 봉의 굵기가 불균일해져 형상 불량이 생긴다. 또한, 실리콘 봉 표면에 생긴 미소한 요철은, 다결정 실리콘의 이상 성장을 조장해서 이른바 팝콘을 발생시켜, 품질 저하를 초래한다.
이와 같은 팝콘의 발생 억제를 위해서는, 실리콘 봉의 표면 온도를 낮게 함과 동시에 실리콘 원료로서 공급되는 실레인의 농도를 낮추는 것이 효과적이다. 그러나, 이 경우에는, 결정 석출 경계층 내의 실레인 농도가 불균일해지기 쉬워 결정 입경 분포의 제어가 곤란해질 뿐만 아니라, 다결정 실리콘의 석출 속도가 느려져 생산성의 저하를 초래한다는 문제가 있다.
생산성을 올리면서, 결정 입경을 보다 치밀한 것으로 해서 고품질화를 도모하기 위해서는, 공급하는 원료 가스의 농도를 올리는 것이 효과적이지만, 종래의 구성의 반응 용기(반응로)로 상기 조건을 실현하고자 하면, 노 내의 가스 온도가 상승해서 과잉된 기상 분해 반응이 일어나, 챔버 내에서 실리콘 분말이 생겨 버려, 다결정 실리콘 봉의 품질 저하의 원인이 된다.
이와 같은 사정을 배경으로 해서, 원료 가스를 효율 좋게 실리콘 봉 표면에 공급하기 위한 방법으로서 다양한 수법이 제안되고 있다.
예를 들면, 일본 특허공개 2010-155782호 공보(특허문헌 2)나 일본 특허공개 2002-241120호 공보(특허문헌 3)에 개시되어 있는 수법에서는, 원료 가스 공급 노즐과 반응 배기 가스의 배기구의 위치를 다양하게 고안하여, 이에 의해 효율적인 석출 반응의 진행을 가능하게 하고 있다.
그러나, 이들 수법은 모두, 원료 가스 공급 노즐로부터 반응로 내에 공급된 원료 가스가 반응 배기 가스의 배기구로부터 1패스에 가까운 상태로 배출되는 태양의 것이다.
실리콘 봉의 성장에 수반해서 지름이 두꺼워짐에 따라, 다결정 실리콘의 실효적인 기상 성장 반응 공간(즉, 반응로의 직동(直胴)부에 수직인 반응로의 내단면적 중, 육성 중인 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합을 제외한 면적)은 서서히 감소해 가기 때문에, 실리콘 봉 표면에서의 원료 가스의 유동 상태는 변화하지만, 전술의 종래 수법에서는 이러한 원료 가스의 유동 상태 변화는 고려되어 있지 않기 때문에, 안정적인 다결정 실리콘의 제조라는 관점에서는 충분하지는 않다.
일본 특허공개 2006-206387호 공보 일본 특허공개 2010-155782호 공보 일본 특허공개 2002-241120호 공보
본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 육성되는 다결정 실리콘 봉의 지름이 확대된 경우에 있어서도, 실리콘 석출 경계층 내의 반응 가스 농도와 가스 온도를 적정한 범위로 제어하는 것이 가능한 구조의 반응로를 제공하여, 안정적인 다결정 실리콘의 제조에 기여하는 것에 있다.
전술의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로는, 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하기 위한 반응로로서, 상기 반응로의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내단면적을 S0으로 하고, 상기 반응로 내에 배치되는 적어도 한 쌍의 역U자형 실리콘 심선 상으로의 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합을 SR=ΣSi로 했을 때에, S=[S0-SR]/SR로 정의되는 반응 공간 단면적비가, 상기 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치는, 전술의 반응로를 구비하고 있다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘의 제조 방법은, 지멘스법에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법으로서, 전술의 반응로를 이용하여, 성장 중인 다결정 실리콘 봉의 직경이 100mmφ까지인 반응 공정에 있어서, 배기 가스 중의 트라이클로로실레인(TCS)과 사염화 규소(STC)의 중량% 조성비가 1.2 이상이 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 다결정 실리콘의 제조 방법은, 지멘스법에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법으로서, 전술의 반응로를 이용하여, 상기 역U자형 실리콘 심선에 50Hz∼10,000KHz의 고주파 전류를 급전해서, 상기 다결정 실리콘 봉이 소정의 지름까지 심 근방 100mmφ 이내의 온도를 1400℃ 이하로 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로는, 반응로의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내단면적(S0)과 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합(SR)으로 정의 부여되는 반응 공간 단면적비(S=[S0-SR]/SR)가 특정 조건을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있기 때문에, 반응로 내의 가스의 적정한 순환이 유지된다.
그 결과, 본 발명에 의하면, 육성되는 다결정 실리콘 봉의 지름이 확대된 경우에 있어서도, 실리콘 석출 경계층 내의 반응 가스 농도와 가스 온도를 적정한 범위로 제어하는 것이 가능한 구조의 반응로가 제공되어, 안정적인 다결정 실리콘의 제조에 기여한다.
도 1은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로의 구성예를 설명하기 위한 단면 개략도이다.
도 2는 원료 가스 공급 노즐로부터 벨자 내에 공급된 가스의 반응 공간 내에서의 가스의 흐름을 모식적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로의 구성예를 설명하기 위한 직동부에 수직인 단면 개략도이다.
도 4는 실시예와 비교예에서의, 공간 단면적비의 다결정 실리콘 성장에 수반하는 변화를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예와 비교예에서의, 배기 가스 중의 TCS와 STC의 중량% 조성비의 변화를 실측한 결과를 나타내는 도면이다.
이하에, 도면을 참조해서, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조 장치가 구비하는, 다결정 실리콘 제조용 반응로의 구성예를 설명하기 위한 단면 개략도이다. 반응로(100)는, 돔형의 반응 용기인 벨자(1)와 저판(2)에 의해 내부가 밀폐되고, 당해 밀폐 공간 내에 기둥문형(역U자형)으로 세운 실리콘 심선(3)을 복수 배치시켜서 이 실리콘 심선(3)의 표면에 다결정 실리콘을 석출시킨다. 저판(2)에는, 실리콘 심선(3)의 양단으로부터 통전해서 발열시키기 위한 심선 홀더(미도시) 및 금속 전극(4)과, 벨자(1) 내부에 원료 가스를 공급하기 위한 가스 공급 노즐(5)과, 반응 후의 가스를 벨자(1)의 외부로 배출하기 위한 반응 배기 가스구(6)가 설치되어 있다. 한편, 가스 공급 노즐(5)의 분출구로부터는, 가스 유량 제어부(미도시)에 의해 유속·유량이 제어된 원료 가스가 공급된다. 또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 가스 공급 노즐(5)은 복수개 마련하는 것이 바람직하지만, 단일의 노즐로 해도 된다.
통상, 저판(2)은 원반상을 하고 있고, 원료 가스로서는 트라이클로로실레인과 수소의 혼합 가스가 사용되는 경우가 많으며, 반응 온도도 900℃∼1200℃로 비교적 고온이기 때문에, 저판(2)과 벨자(1)는 냉각 수로(7)를 흐르는 물에 의해 냉각된다. 한편, 석출 반응 시의 벨자(1)의 내표면 온도는 대체로 100℃∼300℃이다.
도 2는 원료 가스 공급 노즐(5)로부터 벨자(1) 내에 공급된 가스의 반응 공간 내에서의 가스의 흐름을 모식적으로 설명하기 위한 도면이다. 원료 가스 공급 노즐(5)로부터 분출된 원료 가스는, 벨자(1)의 내벽을 따라서 유하해 오는 반응 가스를 동반하면서, 반응 공간 내를 상승한다. 이 상승 가스 흐름은, 벨자(1)의 상부 내벽에 충돌해서 하방으로 흐름을 바꾸어, 순환 흐름이 되어서 벨자(1)의 내측벽을 따라서 하강한다. 그리고 하강 가스 흐름의 일부는, 재차, 원료 가스 공급 노즐(5)로부터 분출된 원료 가스와 함께, 반응 공간 내를 상승한다.
실리콘 심선(3) 상에 다결정 실리콘이 석출됨에 따라, 다결정 실리콘 봉의 지름은 확대되어 가지만, 반응 공간 내에서의 가스는, 다결정 실리콘 봉 근방에서는 상승 기류가 발생하는 한편, 다결정 실리콘 봉으로부터 떨어진 곳에서는 하강 기류가 발생하는 태양으로 챔버(1) 내를 순환한다. 지멘스법에 의해 고품질인 다결정 실리콘 봉을 제조하기 위해서는, 석출 공정이 종료될 때까지 반응 공간 내에서의 가스의 순환을 적정하게 유지하는 것, 또한, 다결정 실리콘이 석출되는 실리콘 봉 표면의 경계층 내에 있어서의 실리콘 클러스터의 안정된 성장을 촉진하는 것이 필요하다.
다결정 실리콘의 석출 반응에 있어서, 다결정 실리콘의 석출 속도, 다결정 실리콘 봉의 형상, 결정 특성(결정 입경, 침상 결정의 사이즈나 양 등)에 영향을 주는 주요인은, 석출 반응 시의 실리콘 봉의 표면 온도, 반응로 내의 압력, 및 실리콘 클러스터가 생성되는 실리콘 봉 표면 근방의 석출 경계층 내에 있어서의 트라이클로로실레인 농도이다. 실리콘 봉 표면의 요철에 기인하는 팝콘의 발생을 억제해서 양호한 표면 형상을 유지하고, 석출 결정의 특성을 제어하기 위해서는, 다결정 실리콘의 석출 공정 중, 상기 요인을 적절히 제어하는 것이 중요하다.
그러나, 종래의 반응로는, 다결정 실리콘 봉의 지름은, 석출 공정 초기의 5mm 정도에서, 석출 공정 종기에는 200mm 이상으로도 되는 경우도 있다. 즉, 석출 공정 중에는, 다결정 실리콘 봉의 지름 확대에 수반해서 반응 공간은 필연적으로 감소하고, 그 결과, 반응로 내의 가스 온도 분포나 플로 패턴이 변화한다.
특히, 반응로의 대형화에 수반하여, 노 내에서의 가스의 흐름도 복잡해져, 국소적인 체류가 발생하기 쉬워지면, 노 내에서의 가스 농도의 격차나 국소적인 온도의 이상 상승을 야기하기 쉬워진다. 그리고, 이와 같은 국소적인 온도의 이상 상승은, 입도 분포의 격차를 크게 하여, 국소적인 팝콘의 발생이나 반응 중의 기상 분해 반응에 의한 실리콘 분말의 발생 원인으로도 된다. 그 때문에, 대량의 반응 가스에 의한 순환 흐름을 형성해서, 반응로 내에 있어서 국소적인 체류부를 발생시키지 않는 것이 바람직하다.
그러나 종래의 반응로는, 다결정 실리콘 봉의 지름 확대에 수반하는 반응 공간의 변화(즉, 반응 가스의 순환 상태의 변화)에 대해서는 거의 고려되지 않고 설계되어 있었기 때문에, 석출 경계층 내의 가스 온도나 원료 가스의 공급 조건의 최적화가 곤란했다.
그래서, 본 발명에 있어서는, 반응로(벨자(1))의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내단면적을 S0으로 하고, 반응로 내에 배치되는 적어도 한 쌍의 역U자형 실리콘 심선 상으로의 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합을 SR=ΣSi로 했을 때에, S=[S0-SR]/SR로 정의되는 반응 공간 단면적비가, 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있도록, 반응로를 설계한다.
도 3은 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로의 구성예를 설명하기 위한 직동부에 수직인 단면 개략도이다. 도면 중의 부호 8은, 역U자 형상의 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘이 석출되어서 얻어지고 있는 다결정 실리콘 봉이다. 이 도면에 나타낸 예에서는, 4개의 실리콘 심선은, 노 내에 동심원 상에 배치되어 있다.
반응로(1)의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내경은 2R0이고, 따라서 내단면적 S0은 πR0 2이다. 반응로(1) 내에 배치된 4쌍의 역U자형 실리콘 심선 상에 다결정 실리콘이 석출된 상태의 다결정 실리콘 봉(8)의 직경은 모두 2Ri라고 하면, 그 단면적(πRi 2)의 총합은 SR=ΣSi=4πRi 2가 된다. 따라서, 상기 정의에 따르는 반응 공간 단면적비 S는 [S0-SR]/SR이 된다.
본 발명에서는, 전술의 조건을 만족하는 반응 공간을 갖도록, 반응로의 크기와 노 내에 배치되는 실리콘 심선의 본수가 정해지고, 그 결과, 다결정 실리콘의 석출 공정이 종료될 때까지, 반응 공간 내에서의 가스의 순환이 적정하게 유지되고, 또한, 경계층 내에 있어서의 실리콘 클러스터의 안정된 성장을 촉진할 수 있다.
또한, 노 내에 있어서의 반응 가스의 바람직한 순환 흐름을 형성하는 것으로 하면, 반응 가스가 효율적으로 냉각되어, 클로로실레인의 부생성물인 실리콘 분말의 발생이 억제된다. 트라이클로로실레인 농도가 30몰% 이상인 원료 가스가 공급된 경우, 국부적으로 반응 가스 온도가 600℃를 초과하면, 클로로실레인의 부생성물로서의 대량의 실리콘 분말이 노 내에서 발생한다. 이와 같은 실리콘 분말이 발생하면, 금속제인 벨자의 내벽면에 일단 부착되고, 이것이 박리되어서 실리콘 봉에 부착되어, 중금속 오염의 원인이 되는 것에 더하여, 실리콘 봉 표면에 부착된 실리콘 분말은, 다결정 실리콘의 돌기 형상의 이상 성장의 원인으로도 된다.
통상, 석출 반응 중의 다결정 실리콘 봉의 표면 온도는 900∼1200℃ 정도로 고온이기 때문에, 반응 가스가 노 내에서 국부적으로 체류하는 환경하에서는, 반응 가스의 온도도 900∼1200℃ 정도로까지 상승해 버려, 전술의 실리콘 분말의 발생이 현저해진다. 그 때문에, 반응 가스 온도를 600℃ 정도 이하로 유지할 필요가 있다. 반응로 내에 있어서 대량의 반응 가스에 의한 순환 흐름을 형성하면, 일단 온도가 높여진 반응 가스를, 물 등의 냉매로 냉각되고 있는 벨자의 내벽에 효율적으로 접촉시킬 수 있기 때문에, 반응 가스는 효율적으로 냉각된다.
본 발명자들은, 전술의 노 내에 있어서의 바람직한 반응 가스 순환 흐름을 형성하기 위해서 성의 검토한 결과, S=[S0-SR]/SR로 정의되는 반응 공간 단면적비가, 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있도록, 반응로를 설계하는 것으로 했다.
이와 같이 설계된 반응로에서는, 노 내에 있어서 대량의 반응 가스에 의한 순환 흐름을 형성하는 것이 가능해지는 결과, 반응 가스가 효율적으로 냉각되어서 가스 온도의 국부적인 상승이 억제되어, 실리콘 분말의 발생을 억제할 수 있다.
석출에 의해 얻어지는 다결정 실리콘의 입도 분포 제어는, 다결정 실리콘 봉의 품질 향상을 위한 유용한 팩터의 하나이며, 그 제어는, 노 내에 공급하는 반응 가스의 클로로실레인 농도가 높을수록 용이하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 종래의 반응로에서는, 노 내에서의 국소적인 반응 가스의 체류가 발생하기 쉽기 때문에, 반응 가스의 클로로실레인 농도를 높여 버리면 실리콘 분말의 발생을 초래한다는 문제가 있었다.
이에 비해, 본 발명에 따른 반응로에서는, 노 내에 있어서 대량의 반응 가스에 의한 순환 흐름이 형성되기 때문에 국소적인 반응 가스의 체류도 생기기 어렵다. 따라서, 노 내에 공급하는 반응 가스의 클로로실레인 농도를 높이더라도, 상기 문제가 생기기 어렵다는 이점이 있다. 노 내에 공급하는 반응 가스의 클로로실레인 농도를, 배기 가스 중의 트라이클로로실레인(TCS)과 사염화 규소(STC)로 평가하면, TCS와 STC의 중량% 조성비를 높이더라도, 실리콘 분말을 발생시킴이 없이 다결정 실리콘 봉의 육성이 가능하다.
본 발명자들이, 최종 직경이 대체로 200mm인 다결정 실리콘 봉을 육성한 실험을 거듭한 결과, 성장 중인 다결정 실리콘 봉의 직경이 100mmφ까지인 반응 공정에 있어서, 배기 가스 중의 트라이클로로실레인(TCS)과 사염화 규소(STC)의 중량% 조성비가 1.2 이상이 되도록 제어하면, 품질이 높은 다결정 실리콘 봉이 얻어진다는 결론을 얻고 있다.
한편, 반응 공간 단면적비를 최적화하는 관점에서는, 공급하는 반응 가스의 유량이 증가하더라도 선속이 지나치게 오르지 않는 상태, 구체적으로는 0.3m/s 이하의 선속이 되는 상태로 하는 것이 바람직하다. 가스의 선속이 지나치게 오르면 대류 전열이 커지고, 경계층 내에서의 가스 농도가 옅어져 가스 온도가 상승할 뿐만 아니라, 다결정 실리콘 봉의 표면 온도를 유지하기 위해 인가 전력을 올려 갈 필요가 있지만, 실리콘 봉이 대구경인 경우, 중심부의 용해 문제를 야기하는 원인으로도 된다.
또한, 노 내에서 육성 중인 다결정 실리콘 봉의 상호간의 거리가 지나치게 가까워지는 경우가 없도록 배려하는 것이 중요하다. 인접하는 실리콘 봉과의 거리가 지나치게 가까우면, 노 내 가스 온도가 상승하기 쉬워, 노 내에서 실리콘 분말이 발생하기 쉬운 환경이 된다. 구체적으로는, 다결정 실리콘 봉의 상호간 거리를 75mm 이상 확보하는 것이 바람직하다.
육성하는 다결정 실리콘 봉의 지름이 120mmφ 이상이 되면, 실리콘 봉의 중심 온도는 서서히 상승해 간다. 일반적으로, 다결정 실리콘의 온도가 1200℃ 이상이 되면, 결정의 재결합이 시작되어 입경이 커진다. 그리고, 다결정 실리콘의 융점은 약 1420℃이기 때문에, 중심 온도가 1400℃를 초과하면, 다결정 실리콘 봉의 중심 근방이 용해되어서 사고로 이어질 우려가 있다. 따라서, 다결정 실리콘 봉의 중심 부근에 흐르는 전류량을 적절히 제어해서 당해 부분의 온도를 적절한 범위로 유지할 필요가 있다.
바람직한 태양으로서는, 고주파 전원에 의한 전류 공급을 행하는 것으로 하여, 고주파 표피 효과를 응용해서 다결정 실리콘 봉을 가열한다. 구체적으로는, 실리콘 심선에 50Hz∼10,000KHz의 고주파 전류를 급전해서, 다결정 실리콘 봉이 소정의 지름까지 심 근방 100mmφ 이내의 온도를 1400℃ 이하로 제어한다.
전술한 반응로를 이용해서 다결정 실리콘 봉을 제조하고, 필요에 따라, 이 다결정 실리콘 봉을 분쇄해서 다결정 실리콘 괴로 한다.
실시예
직동부의 높이가 2.1m이고 내직경이 0.6m인 반응로를 이용하여, 지멘스법에 의해 다결정 실리콘 봉을 육성했다. 실시예에서는 노 내에 2조의 실리콘 심선을, 비교예에서는 노 내에 6조의 실리콘 심선을 배치하여, 140mm 정도의 직경의 다결정 실리콘 봉을 육성했다. 전술한 반응 공간 단면적비 S는, 다결정 실리콘 봉의 최종 직경을 140mm로 한 경우, 실시예에서는 S=8.2, 비교예에서는 S=2.1이 된다.
노 내에 공급한 반응 가스는, 어느 쪽에 있어서도, 트라이클로로실레인과 수소의 혼합 가스(트라이클로로실레인 농도 25몰%)로 하고, 주파수가 15KHz인 고주파 전류를 공급해서 실리콘 심선(다결정 실리콘 봉)을 가열하고, 반응 온도는 1020℃, 석출 반응 시의 노 내 압력은 0.5MPa이다. 석출 시간은 실시예에서는 165시간, 비교예에서는 177시간이며, 최종적인 다결정 실리콘 봉의 직경은 실시예에서는 143mm, 비교예에서는 145mm였다.
도 4는 실시예와 비교예에서의, 공간 단면적비의 다결정 실리콘 성장에 수반하는 변화를 나타내는 도면이다. 이 도면에서는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 200mm가 될 때까지의 변화의 계산 결과를 나타내고 있지만, 전술한 바와 같이, 실제의 석출 공정은 직경이 약 140mm가 된 시점에서 종료시키고 있다.
이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 것에서는, S=[S0-SR]/SR로 정의되는 반응 공간 단면적비는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상이 되고 있지만, 비교예의 것에서는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm인 시점에서 이미 2.5를 하회하고 있다.
도 5는 실시예와 비교예에서의, 배기 가스 중의 TCS와 STC의 중량% 조성비의 변화를 실측한 결과를 나타내는 도면이다.
이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실시예의 것에서는, 배기 가스 중의 TCS와 STC의 중량% 조성비(TCS/STC)는, 석출 공정 완료에 이르기까지 1.2 이상이 되고 있지만, 비교예의 것에서는, 다결정 실리콘 봉의 직경이 100mm 정도가 된 시점에서 이미 1.2를 하회하고 있다. 한편, 다결정 실리콘 봉의 직경이 100mm인 시점에서의 TCS/STC비를 평가하면, 실시예의 것에서 1.6, 비교예의 것에서 1.0이다.
이와 같이 해서 육성한 다결정 실리콘 봉의 특성(팝콘 발생률, 실리콘 심선 근방으로부터 채취한 시료의 (111)면의 X선 회절 강도, 전자선 후방 산란 회절법(EBSD)으로 평가한 결정 입도 분포)을 평가한 결과를, 표 1에 정리했다. 한편, (111)면의 X선 회절 강도는 결정 배향도를 평가하는 것으로, 작을수록 랜덤 배향을 하고 있는 것을 의미한다.
Figure pct00001
한편, 마찬가지의 실험을 복수회 반복했을 때의 실리콘 봉의 균열 발생률은, 실시예의 것에서 0%였는 데 비해, 비교예의 것에서는 60%였다.
이 표에 나타낸 결과로부터, 본 발명에 따른 반응로를 이용해서 육성된 다결정 실리콘 봉은, 높은 품질을 갖고 있다는 것을 알 수 있다.
이것은, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 제조용 반응로는, 반응로의 직동부에 수직인 해당 반응로의 내단면적(S0)과 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합(SR)으로 정의 부여되는 반응 공간 단면적비(S=[S0-SR]/SR)가 특정 조건을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있기 때문에, 반응로 내의 가스의 적정한 순환이 유지되는 것에 의한다.
본 발명에 의하면, 육성되는 다결정 실리콘 봉의 지름이 확대된 경우에 있어서도, 실리콘 석출 경계층 내의 반응 가스 농도와 가스 온도를 적정한 범위로 제어하는 것이 가능한 구조의 반응로가 제공되어, 안정적인 다결정 실리콘의 제조에 기여한다.
100: 반응로
1: 벨자
2: 저판
3: 실리콘 심선
4: 금속 전극
5: 가스 공급 노즐
6: 반응 배기 가스구
7: 냉각 수로
8: 다결정 실리콘 봉

Claims (5)

  1. 지멘스법에 의해 다결정 실리콘을 제조하기 위한 반응로로서,
    상기 반응로의 직동(直胴)부에 수직인 해당 반응로의 내단면적을 S0으로 하고, 상기 반응로 내에 배치되는 적어도 한 쌍의 역U자형 실리콘 심선 상으로의 다결정 실리콘의 석출에 의해 육성되는 다결정 실리콘 봉의 단면적의 총합을 SR=ΣSi로 했을 때에,
    S=[S0-SR]/SR로 정의되는 반응 공간 단면적비가, 상기 다결정 실리콘 봉의 직경이 140mm 이상인 경우에 2.5 이상을 만족하는 노 내 반응 공간을 갖고 있는
    것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 반응로.
  2. 제 1 항에 기재된 반응로를 구비하고 있는 다결정 실리콘 제조 장치.
  3. 지멘스법에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법으로서,
    제 1 항에 기재된 반응로를 이용하여, 성장 중인 다결정 실리콘 봉의 직경이 100mmφ까지인 반응 공정에 있어서, 배기 가스 중의 트라이클로로실레인(TCS)과 사염화 규소(STC)의 중량% 조성비가 1.2 이상이 되도록 제어하는
    것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  4. 지멘스법에 의한 다결정 실리콘의 제조 방법으로서,
    제 1 항에 기재된 반응로를 이용하여,
    상기 역U자형 실리콘 심선에 50Hz∼10,000KHz의 고주파 전류를 급전해서, 상기 다결정 실리콘 봉이 소정의 지름까지 심 근방 100mmφ 이내의 온도를 1400℃ 이하로 제어하는
    것을 특징으로 하는 다결정 실리콘의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 기재된 방법으로 제조된 다결정 실리콘 봉, 또는 해당 다결정 실리콘 봉을 분쇄해서 얻어진 다결정 실리콘 괴.
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