KR20200094569A - 폴리실리콘 증착장치 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리실리콘이 증착 완료 후 제품의 생산에 따른 공정 사이클 시간을 감소시킬 수 있도록 구조가 개선
된 폴리실리콘 증착장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 폴리실리콘 증착장치는 반응 챔버와, 반응 챔버 내부에
배치되며 전류에 의해 통전되는 한 쌍의 실리콘 로드를 가지고 통전되는 전류에 의해 가열되어 공정가스의 반응
에 의해 폴리실리콘이 증착되는 N개의 실리콘 코어로드와, 한 쌍의 실리콘 로드를 갖는 N개의 실리콘 코어로드를
수용하고 공정가스가 공급되어 반응하는 M개의 수용홀을 형성하며 M개의 수용홀에 수용된 실리콘 코어로드의 한
쌍의 실리콘 로드를 냉각하는 자켓유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 반응 챔버 내부에 배치되
는 복수개의 실리콘 코어로드와 이를 수용하는 자켓유닛을 모듈화 시켜 복수개의 실리콘 코어로드와 자켓유닛의
상호 분리 시간을 단축시킬 수 있으므로, 폴리실리콘 제조 공정 사이클을 단축함과 더불어 장비의 세척 또는 세
정 시간을 단축시킬 수 있다.

Description

폴리실리콘 증착장치 제조방법{CHEMICAL VAPOR DEPOSITION REACTOR FOR POLY-SILICON}

폴리실리콘으로 지칭되는 다결정 실리콘은 반도체 및 태양광 산업 등과 같은 최첨단 산업 분야의 소재로 널리

사용되고 있다. 이러한 반도체 및 태양광 산업 등과 같은 최첨단 산업 분야에 이용되는 폴리실리콘은 쿼츠나 모

래 등을 탄소와 환원 반응 시켜 금속급 실리콘을 생성한 후, 추가적인 정제 공정을 거쳐 반도체의 웨이퍼 제조

용 단결정 원료 또는 태양전지 기판의 원료로 사용된다.

[0003] 금속급 실리콘의 정제 방식으로는 크게 분류하면 지멘스(Siemens) 방식, 유동층(Fluidized bed) 방식 및

VLD(Vapor-to-Liquid Deposition) 방식 등으로 나뉠 수 있다.

[0004] 이러한 다양한 방식 중 일반적으로 사용되는 지멘스 방식은 염화실란(chlorosilane) 또는 모노실란(monosilane)이 수소와 혼합된 공정가스를 열분해하여 실리콘 코어로드에 실리콘을 증착시키는 방식으로 다결정 실리콘을

제조한다. 여기서, 다결정 실리콘을 제조하는 지멘스 방식은 실리콘 코어로드에 전기를 통전시키고 이로 인한

저항 열에 의해 실리콘 코어로드를 자체 발열시킨다. 이때, 실리콘은 상온에서 전기 저항성이 매우 커서 통전이

잘 이루어지지 않고, 수백 ℃ 이상으로 가열하게 되면 전기 저항성이 낮아지면서 통전이 잘 이루어지는 특성을

갖는다.

한편, 종래의 폴리실리콘 증착장치는 "대한민국 공개특허공보 10-2011-0069739"[0005] 인 "폴리실리콘 반응기의 개선된

화학 기상 증착 시 가스 분배 방법 및 노즐 디자인"에 개시되어 있다. 상술한 선행문헌인 "폴리실리콘 반응기의

개선된 화학 기상 증착 시 가스 분배 방법 및 노즐 디자인"은 도 1에 도시된 바와 같이, 폴리실리콘이 증착되는

로드와 각각의 로드에 대응되어 각각의 로드를 둘러 싸서 냉각하는 복수의 오일 재킷을 포함하는 기술적 특징을

개시한다.

[0006] 그런데, 종래의 선행문헌에 개시된 기술적 구성 및 특징은 로드 및 각각의 로드를 둘러싸서 냉각하는 복수개의

오일 재킷으로 구성되어 각각의 로드의 외표면에 폴리실리콘 증착이 완료될 때 각각의 로드에 대해 오일 재킷을

분리해야 하고, 이에 따라 공정 사이클 시간이 증대되는 문제점이 있다.

[0007] 또한, 종래의 선행문헌에 개시된 로드는 오일 재킷의 외부로 노출되어 있으므로, 반응기 내부에서의 분말이 오

일 재킷의 외부로 노출된 로드에 증착됨에 따라 제조되는 제품의 품질을 저하시킬 수 있는 문제점도 있다.

본 발명의 목적은 폴리실리콘이 증착 완료 후 제품의 생산에 따른 공정 사이클 시간을 감소시킬 수 있도록 구조

가 개선된 폴리실리콘 증착장치를 제공하는 것이다.

[0010] 또한, 본 발명의 다른 목적은 폴리실리콘의 증착 공정 시 제품의 품질을 저하하는 분말 등과 같은 이물질의 증

착을 저지할 수 있도록 구조가 개선된 폴리실리콘 증착장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 폴리실리콘 증착장치의 효과들은 다음과 같다.

[0025] 첫째, 반응 챔버 내부에 배치되는 복수개의 실리콘 코어로드와 이를 수용하는 자켓유닛을 모듈화 시켜 복수개의

실리콘 코어로드와 자켓유닛의 상호 분리 시간을 단축시킬 수 있으므로, 폴리실리콘 제조 공정 사이클을 단축함

과 더불어 장비의 세척 또는 세정 시간을 단축시킬 수 있다.

[0026] 둘째, 자켓유닛의 상부에 자켓유닛 외부로 노출된 실리콘 코어로드의 일 영역을 반응 챔버의 내부 공간에 대해

차폐하여 자켓유닛의 상부에서 실리콘 분말이 다량으로 발생되는 것을 저지할 수 있고, 이에 따라 제품의 수율

을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 폴리실리콘 증착장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

[0029] 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 폴리실리콘 증착장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 폴리실

리콘 증착장치의 평면도이다.

[0030] 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 폴리실리콘 증착장치(1)는 베이스부(10), 반응 챔

버(20), 실리콘 코어로드(30), 전극부(40), 자켓유닛(50), 히팅부(60: 도 3 참조), 가스 공급유닛(70), 냉각수

공급유닛(90), 모니터링부(110) 및 실드부재(120: 도 4 참조)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 폴리실리

콘 증착장치(1)는 N개의 실리콘 코어로드(30)를 배치하여 제품의 생산성을 증대시킨다.

[0031] 베이스부(10)는 상술한 반응 챔버(20), 실리콘 코어로드(30), 전극부(40), 자켓유닛(50) 및 가스 공급유닛(70)

등을 지지하도록 마련된다. 여기서, 베이스부(10)에는 본 발명에서 도시되지 않았지만 폴리실리콘 증착장치(1)의 작동을 제어할 수 있는 제어 시스템이 배치될 수 있다.

반응 챔버(20)는 실리콘 코어로드(30) 및 자켓유닛(50)을 수용하도록 마련된다. [0032] 반응 챔버(20)는 베이스부(10)

상부에 배치되어, 외부로부터 실리콘 코어로드(30) 및 자켓유닛(50)을 차단한다. 또한, 반응 챔버(20)는 외부로

부터 내부를 차단함과 더불어 진공 분위기를 형성한다. 본 발명의 반응 챔버(20)는 몸체(22) 및 배출포트(24)를

포함한다. 몸체(22)는 상술한 바와 같이, 베이스부(10)의 상부에 결합되어 실리콘 코어로드(30) 및 자켓유닛

(50)이 수용된 내부 공간과 외부 공간을 차단하도록 내부 공간을 밀폐한다. 그리고, 배출포트(24)는 몸체(22)의

상부에 배치되어 몸체(22) 내부의 공정가스를 몸체(22)의 외부로 배출한다. 배출포트(24)는 몸체(22)의 상부 형

상에 대응하여 복수개로 배치된다.

[0033] 다음으로 실리콘 코어로드(30)는 반응 챔버(20)의 내부에 배치되어 전류에 통전에 따라 가열되어 공정가스의 반

응에 의해 폴리실리콘을 증착시킨다. 즉, 실리콘 코어로드(30)는 순도가 우수한 폴리실리콘으로 이루어지며, 폴

리실리콘의 증착 공정 시 외표면을 따라 실리콘 분말이 증착되면서 폴리실리콘의 성장이 이루어진다. 여기서,

실리콘 코어로드(30)는 후술할 전극부(40)의 제1전극(42) 및 제2전극(44)을 따라 흐르는 전류에 통전되고, 이때

발생하는 저항 열에 의해 자체적으로 발열이 진행된다.

[0034] 한편, 본 발명의 실리콘 코어로드(30)는 반응 챔버(20) 내부에 N개로 구비된다. 본 발명의 일 실시 예로서, 실

리콘 코어로드(30)는 54개로 구비되나, 실리콘 코어로드(30)의 개수 N은 반응 챔버(20) 내부의 크기 또는 실리

콘 코어로드(30)의 크기 등에 변수에 따라 변경될 수 있다. 본 발명의 실리콘 코어로드(30)는 한 쌍의 실리콘

로드(32)와 한 쌍의 실리콘 로드(32)를 연결하는 로드 연결부(34)를 포함한다.

[0035] 실리콘 코어로드(30)의 한 쌍의 실리콘 로드(32)는 일정 이격거리를 두고 상호 평행하게 배치된다. 한 쌍의 실

리콘 로드(32)는 베이스부(10)의 판면에 대해 수직 방향으로 배치된다. 그리고, 로드 연결부(34)는 베이스부

(10)의 판면에 대해 수직 방향으로 배치된 한 쌍의 실리콘 로드(32)를 연결하도록 베이스부(10)의 판면에 대해

수평 방향으로 배치된다. 즉, 한 쌍의 실리콘 로드(32)와 로드 연결부(34)는 상호 연결된 일체형으로 제작된다.

이에 따른, 실리콘 코어로드(30)의 형상은 'U'자 형상을 갖는다. 'U'자 형상의 실리콘 코어로드(30)는 한 쌍의

실리콘 로드(32)가 베이스부(10)에 인접하고 로드 연결부(34)가 상부에 위치하도록 배치된다.

[0036] 전극부(40)는 베이스부(10)와 실리콘 코어로드(30)의 한 쌍의 실리콘 로드(32) 하부 사이에 배치되어 실리콘 코

어로드(30)에 전류를 공급한다. 전극부(40)는 실리콘 코어로드(30)의 한 쌍의 실리콘 로드(32)에 각각 연결되어

전류를 공급하는 제1전극(42) 및 제2전극(44)을 포함한다. 제1전극(42) 및 제2전극(44)은 내열성이 우수한 그라

파이트(graphite) 재질로 마련된다. 그리고, 전극부(40)는 반응 챔버(20)의 저면, 즉 베이스부(10)의 상부면과

절연 상태를 유지하도록 설치한다.

[0037] 다음으로 자켓유닛(50)은 반응 챔버(20)의 내부에 배치되어 실리콘 코어로드(30)를 수용한다. 자켓유닛(50)은 N

개의 실리콘 코어로드(30)에 대응하여 N개의 실리콘 코어로드(30)를 수용하는 M개의 수용홀(54)을 포함한다. 여

기서, 자켓유닛(50)의 수용홀(54)은 공정가스와 실리콘 코어로드(30)가 상호 접촉하는 반응 공간이다. 자켓유닛

(50)은 자켓몸체(52) 및 수용홀(54)을 포함한다. 자켓몸체(52)는 자켓유닛(50)의 외관을 형성하며 실리콘 코어

로드(30)의 외표면을 둘러싼다. 수용홀(54)은 자켓몸체(52)의 내부에 형성되어 실리콘 코어로드(30)를 수용하여

실리콘 코어로드(30)와 공정가스가 반응하는 반응 공간을 형성한다. 그리고, 수용홀(54)은 상하로 연통되어 수

용홀(54)의 상부로 배출된 미반응된 공정가스를 하부로 재유입한다. 이렇게, 수용홀(54)이 상하로 연통되어 미

반응된 공정가스를 재유입함으로써, 폴리실리콘 제조의 효율적인 증착 공정을 수행할 수 있다.

[0038] 자켓유닛(50)의 M개의 수용홀(54)은 N개의 실리콘 코어로드(30)에 대응하여 2N개로 마련된다. 즉, N개의 실리콘

코어로드(30)는 한 쌍의 실리콘 로드(32)를 가지고 있으므로, 실리콘 코어로드(30)의 한 쌍의 실리콘 로드(32)

를 각각 수용하는 수용홀(54)은 2N개로 마련된다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예로서, 실리콘 코어로드(30)

는 54개로 배치되며 각각의 실리콘 코어로드(30)는 한 쌍의 실리콘 로드(32)를 포함한다. 여기서, 실리콘 코어

로드(30)의 개수 54개를 N개라고 할 때 실질적으로 각각의 실리콘 코어로드(30)는 한 쌍의 실리콘 로드(32)를

포함하므로, 실리콘 코어로드(30)의 한 쌍의 실리콘 로드(32)를 수용하는 M개의 수용홀은 2N개가 되는 것이다.

[0039] 자켓유닛(50)은 본 발명의 일 실시 예로서, 반응 챔버(20)의 원형 단면에 대응되도록 3개로 분할되어 배치되나,

단일 또는 적어도 2개 이상으로 배치될 수 있다. 물론, 단일 또는 복수개로 배치된 자켓유닛(50)의 형상에 대응

하여 N개의 실리콘 코어로드(30)가 수용될 수 있다. N개의 실리콘 코어로드(30)와 자켓유닛(50)은 상호 분리 가

능하게 결합된다. 이렇게, 실리콘 코어로드(30)와 자켓유닛(50)이 상호 분리 가능하게 결합됨으로써, 실리콘 코

어로드(30)에 대한 폴리실리콘 증착 공정이 끝난 후 실리콘 코어로드(30)와 자켓유닛(50)을 모듈 방식으로 상호수용홀(54)의 내벽 또는 상측에 증착되는 것을 최소화 할 수 있다.

[0041] 도 3은 도 2에 도시된 실리콘 코어로드와 자켓유닛 사이에 배치되는 히팅부의 주요부 확대 평면도이다.

[0042] 히팅부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이, M개의 수용홀(54)에 배치되어 M개의 수용홀(54) 내부를 가열한다. 히팅

부(60)는 본 발명의 일 실시 예로서, 실리콘 코어로드(30)가 인접한 수용홀(54)에 배치되나, 수용홀(54)의 외부

에 배치될 수도 있다. 히팅부(60)는 공지된 전열 히터와 같은 다양한 발열체가 사용될 수 있다.

[0043] 가스 공급유닛(70)은 자켓유닛(50)의 수용홀(54)들에 공정가스를 공급한다. 가스 공급유닛(70)으로부터 공급되

는 가스는 염화실란(chlorosilane)과 모노실란(monosilane) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 가스 공급유닛(70)

은 상술한 염화실란 또는 모노실란 이외에도 염화실란 또는 모노실란과 반응하는 수소 혼합 가스를 공급한다.

[0044] 가스 공급유닛(70)은 자켓유닛(50)의 하부에 배치되어 자켓유닛(50)을 통해 수용홀(54)들로 공정가스를 공급한

다. 반면, 가스 공급유닛(70)은 자켓유닛(50)의 외부에 배치되어 자켓유닛(50)을 통해 수용홀(54)들로 공정가스

를 공급한다. 가스 공급유닛(70)은 가스 배관(80)과 연결되어 공정가스를 수용홀(54)들로 공급한다. 가스 배관

(80)은 가스 공급유닛(70)으로부터 연결되어 자켓유닛(50)을 관통한다.

[0045] 냉각수 공급유닛(90)은 자켓유닛(50)의 내부에 냉각수를 공급한다. 냉각수 공급유닛(90)으로부터 공급되는 냉각

수는 물, 오일, 냉각가스와 같은 공지된 다양한 냉각매체가 사용될 수 있다. 냉각수 공급유닛(90)은 자켓유닛

(50) 내부에 냉각수를 공급 및 회수하는 냉각수 배관(100)과 연결된다. 여기서, 냉각수 배관(100)은 자켓유닛

(50)의 냉각 성능을 증가시키기 위해 자켓유닛(50)의 내부 형상을 따라 배치되는 것이 바람직하다.

[0046] 모니터링부(110)는 반응 챔버(20)에 설치되며 개구부를 통해 실리콘 코어로드(30)의 증착 공정을 모니터링

한다. 즉, 모니터링부(110)는 증착 공정 중 실리콘 코어로드(30)에 대한 정보를 모니터링 하는 역할을 한다. 작

업자는 모니터링부(110)를 통해 실리콘 코어로드(30)의 증착 상황 등을 모니터링 할 수 있다. 모니터링부(110)

는 복수개의 실리콘 코어로드(30)에 대응하여 복수개로 마련되는 것이 바람직하다.

[0047] 모니터링부(110)는 본 발명에서 미도시된 개구부 및 관측창으로 구성된다. 여기서, 모니터링부(110)의 관측창에

는 실리콘 분말 등이 침작되는 것을 저지할 수 있도록 퍼지가스가 공급되는 것이 바람직하다. 그리고, 모니터링

부(110)는 미도시된 카메라 모듈 및 광 고온계(pyrometer)를 포함하여 증착 공정 중의 실리콘 코어로드(30)에

증착된 폴리실리콘의 증착 두께 및 실리콘 코어로드(30)의 온도를 모니터링 할 수 있다.

[0048] 마지막으로 도 4는 도 2에 도시된 실리콘 코어로드를 차폐하기 위해 자켓유닛과 실드부재가 결합된 사시도이다.

[0049] 실드부재(120)는 자켓유닛(50)의 상부로 노출되는 실리콘 코어로드(30)의 로드 연결부(34)를 커버한다. 실드부

재(120)는 자켓유닛(50)의 상부에 배치되어 실리콘 코어로드(30)의 로드 연결부(34)를 커버하고, 실리콘 코어로

드(30)의 로드 연결부를 반응 챔버(20)의 내부 공간에 대해 차폐한다. 실드부재(120)는 상술한 바와 같이, 실리

콘 코어로드(30)의 로드 연결부(34)를 차폐하여 폴리실리콘의 제조 공정 중 로드 연결부(34)로부터의 열에 의해

실리콘 분말이 다량으로 생성되는 것을 방지한다. 본 발명의 실드부재(120)는 실드몸체(122) 및 배기홀(124)을

포함한다.

[0050] 실드몸체(122)는 자켓유닛(50)의 상부에 배치되어 반응 챔버(20)의 내부 공간과 실리콘 코어로드(30)의 로드 연

결부(34)를 차폐한다. 배기홀(124)은 실드몸체(122)에 형성되어 수용홀(54) 내부의 공정가스를 수용홀(54) 외부

로 배기한다. 여기서, 배기홀(124)은 수용홀(54)에서 미반응된 공정가스가 수용홀(54)로 재유입되도록 미반응된

공정가스를 수용홀(54) 외부로 배기한다. 한편, 본 발명의 설명에서는 미도시된 냉각유로가 실드부재(120)에 형

성된다. 실드부재(120)에 형성된 냉각유로는 실리콘 코어로드(30)의 열 방출에 인한 실드부재(120)의 온도 상승

을 억제한다.

[0051] 이에, 반응 챔버 내부에 배치되는 복수개의 실리콘 코어로드와 이를 수용하는 자켓유닛을 모듈화 시켜 복수개의

실리콘 코어로드와 자켓유닛의 상호 분리 시간을 단축시킬 수 있으므로, 폴리실리콘 제조 공정 사이클을 단축함

과 더불어 장비의 세척 또는 세정 시간을 단축시킬 수 있다.

[0052] 또한, 자켓유닛의 상부에 자켓유닛 외부로 노출된 실리콘 코어로드의 일 영역을 반응 챔버의 내부 공간에 대해차폐하여 자켓유닛의 상부에서 실리콘 분말이 다량으로 발생되는 것을 저지할 수 있고, 이에 따라 제품의 수율

을 향상시킬 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 [0053] 속하는 기술 분야에서 통상의 지

식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시

될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것

이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위

에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는

변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (1)

1. 반응 챔버와;
   상기 반응 챔버 내부에 배치되며 전류에 의해 통전되는 한 쌍의 실리콘 로드를 가지고 통전되는 전류에 의해 가
   열되어, 공정가스의 반응에 의해 폴리실리콘이 증착되는 N개의 실리콘 코어로드와;
   한 쌍의 상기 실리콘 로드를 갖는 N개의 상기 실리콘 코어로드를 수용하고 공정가스가 공급되어 반응하는 M개의
   수용홀을 형성하며, M개의 상기 수용홀에 수용된 상기 실리콘 코어로드의 한 쌍의 상기 실리콘 로드를 냉각하는
   자켓유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 증착장치.

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