WO2015199500A1 - 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법 - Google Patents

실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법 Download PDF

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WO2015199500A1
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WO
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polysilicon
nano powder
silicon
bonding
silicon nano
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PCT/KR2015/006589
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Inventor
강병창
김창열
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오씨아이 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/021—Preparation
    • C01B33/027—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/035—Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds in the presence of heated filaments of silicon, carbon or a refractory metal, e.g. tantalum or tungsten, or in the presence of heated silicon rods on which the formed silicon is deposited, a silicon rod being obtained, e.g. Siemens process

Definitions

  • the present invention relates to a polysilicon filament manufacturing method, and more particularly to a method for producing a polysilicon filament of a desired length by connecting the polysilicon fragments cut by the breakage and the like.
  • Polysilicon filaments are essential when producing polysilicon by the Siemens method.
  • Currently used filaments are manufactured by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone method (FZ method), or the manufactured polysilicon rods are processed by filament standards.
  • the length of the polysilicon rod must be greater than the filament length.
  • An object of the present invention is to provide a method for producing polysilicon filaments by connecting polysilicon fragments.
  • Another object of the present invention is to provide a method for producing polysilicon filaments by connecting polysilicon fragments without introducing impurities using polysilicon nanopowders.
  • the present invention provides a fragment preparation step of providing two polysilicon fragments in which the joining surfaces can conform to each other; Bonding surface processing step of processing the irregularities corresponding to each other on the bonding surface of the polysilicon fragment to be bonded; Nano powder filling step of filling the silicon nano powder in the groove portion of the processed bonding surface; A heating melting step of heating the filled silicon nano powder to melt; Bonding connection step of connecting the bonding surface by pressing and cooling the projection of the section to the molten silicon nano powder; It provides a polysilicon filament manufacturing method comprising a; and a cooling step of cooling to room temperature after the junction connection.
  • the joint surface processing step is to process the groove portion to be filled with the silicon nano powder on the upper surface of the polysilicon fragment to be placed on the lower side, the inclined planar surface inclined upward toward the outside of the periphery, and the lower surface of the polysilicon fragment to be placed on the top
  • the protrusions inserted into the grooves can be processed.
  • the protrusion is preferably processed so that a gap is formed between the grooves.
  • the bonding surface processing step is formed to be inclined upward toward the outside, around the protrusion of the lower surface of the polysilicon piece to be placed on the upper, it is possible to process a cover planar surface having a smaller inclination angle than the inclined flange surface.
  • the nano-powder filling step is to fill the silicon nano powder of the mass that can fill the volume of the separation space existing between the upper surface of the polysilicon fragment to be placed on the lower side and the lower surface of the polysilicon fragment to be placed on the upper portion. desirable.
  • the silicon nano-powder filled in the nano-powder filling step may be used having an average particle diameter of 200nm or less.
  • the heating melting step it is preferable to melt the silicon nano powder by condensing light on the silicon nano powder, and using a halogen lamp as a light source, when heating to a temperature lower than the melting point of polysilicon and higher than the melting point of the silicon nano powder. More preferred.
  • cooling is performed until the temperature of the bonded portion reaches room temperature.
  • the cooling step may be performed by stopping the operation of the light source and leaving it in natural cooling or forced cooling by blowing a cooling gas.
  • the cooling step may further include an additional processing step for processing the outer surface of the junction portion to have a uniform overall diameter.
  • the present invention provides a fragment preparation step of providing two polysilicon fragments in which the joining surfaces can conform to each other; Bonding surface processing step of processing the irregularities corresponding to each other on the bonding surface of the polysilicon fragment to be bonded; Nano powder filling step of filling the silicon nano powder in the groove portion of the processed bonding surface; Bonding and heating the bonding surface to melt the silicon nanopowder and connect the bonding surface; And it provides a polysilicon filament manufacturing method comprising a cooling step of cooling to room temperature after the joint connection.
  • induction heating is preferably performed to heat the portion where the bonding is made to a temperature lower than the melting point of the polysilicon and higher than the melting point of the silicon nanopowder.
  • the present invention provides a method for manufacturing polysilicon filaments by connecting polysilicon fragments without impurities, thereby reducing the cost of producing polysilicon.
  • FIG. 1 is a process flowchart showing a polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a bonding surface processed in the bonding surface processing step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a nano-powder filling step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano-powder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing the heating and melting step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a junction connection step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a process flowchart showing a polysilicon filament manufacturing method using silicon nano powder according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the bonding melting step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a process flowchart showing a method for producing polysilicon filaments using silicon nano powder according to an embodiment of the present invention.
  • Polysilicon filament manufacturing method is a method to connect the broken polysilicon filament or a polysilicon fragment made of a short length to produce a polysilicon filament of the desired length.
  • the polysilicon filament manufacturing method according to the present invention allows the polysilicon fragment to be welded using a silicon nanopowder to produce polysilicon filaments without introducing impurities into the joint.
  • the polysilicon filament manufacturing method according to the present invention provides a method for connecting two polysilicon fragments, and the desired length. For the preparation of polysilicon filaments may be connected to three or more of the number of the polysilicon fragments.
  • cooling step (S160) may further include an additional processing step to have a constant outer diameter as a whole by processing the outer surface of the junction.
  • the additional processing step is to remove the molten silicon protruding to the outer surface of the junction.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a bonding surface processed in the bonding surface processing step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention.
  • Polysilicon filament manufacturing method after selecting the polysilicon fragments to be connected to each other, performs a joint surface processing step (S120) for processing them.
  • one polysilicon fragment becomes the joining surface on the upper surface, and the other polysilicon fragment becomes the bonding surface on the lower surface.
  • the groove 122 is processed on the upper surface of the polysilicon fragment 120 to be disposed below, and the protrusion 112 is processed on the lower surface of the polysilicon fragment 110 to be disposed above.
  • the recess 122 is filled with the silicon nano powder (150 of FIG. 3) in the nano powder filling step (S130) to be described later.
  • the inclined flange surface 124 which is inclined upward toward the outside is formed around the recess 122, and the periphery of the protrusion 112 is upward toward the outer side like the inclined flange surface 124 A cover planar surface 114 having an inclination angle smaller than the inclined planar surface 124 is formed.
  • the protrusion 112 is formed smaller than the recess 122 so that a gap is formed between the protrusion 112 and the recess 122.
  • the separation space (S) is calculated and reflected in the silicon nano powder filling amount.
  • the silicon nanopowder when the volume of the separation space is 2cc, it is preferable to make the silicon nanopowder the mass corresponding to 2cc when the filling amount is melted.
  • the molten silicon nano powder 150 does not leave the separation space at the time of joining connection so that the polysilicon filament has a uniform cross-sectional area as a whole.
  • the inclined flange surface 124 and the cover flange surface 114 is formed to be inclined upward toward the outside to prevent the molten silicon from flowing down.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a nano-powder filling step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano-powder according to an embodiment of the present invention.
  • the grooved portion 122 is disposed in the processed polysilicon fragment 120 in the vertical direction, and then the silicon nano powder 150 is filled in the groove portion 122. .
  • the silicon nano powder 150 may be filled by a mass corresponding to the volume of the separation space S.
  • the receptor volume of the recess 122 is preferably formed to be equal to or larger than the volume of the silicon nano powder 150 to be filled. Otherwise, the silicon nano powder 150 should be filled to cover the inclined flange surface 124. In this case, the area to be melted becomes large, which is not preferable.
  • the silicon nano powder 150 may be formed to have a volume equal to or larger than the volume of the spaced space so that only the recess 122 may be filled.
  • the silicon nano powder 150 having an average particle diameter of 200 nm or less.
  • the melting temperature is lower than that of polysilicon. This allows the polysilicon fragments to melt only the silicon nanopowder in the unmelted state.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing the heat melting step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention.
  • the heating melting step (S400) is to melt the silicon nano powder 150 filled in the groove portion 122, so that the polysilicon fragments are not melted and heated so that only the silicon nano powder 150 can be melted. Therefore, the heating temperature should be formed higher than the melting point of the polysilicon and higher than the melting point of the filled silicon nanopowder.
  • the halogen lamp 210 is used as a light source, and the silicon nano powder 150 filled in the recess is heated and melted by using optical means such as the convex lens 212 or the concave mirror 214.
  • a laser may be used as the light source.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a junction connection step of the polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon nano powder 150 filled in the recess 122 is heated and melted, and then the joining surfaces are brought into close contact with each other by aligning the processed polysilicon fragments 110.
  • the protrusion 112 Since the heating is performed using the light, the protrusion 112 is pushed into the recess 122, the light as a source of heat is blocked to stop the direct heating of the molten silicon, thereby solidifying the molten silicon. At this time, the operation of the light source may be stopped.
  • the cooling step is to cool down until the temperature of the bonded part reaches room temperature.
  • the operation of the light source is stopped and left in natural cooling, or the cooling gas is forced to blow. Cooling can be used.
  • FIG. 6 is a process flow chart showing a method for producing polysilicon filaments using silicon nano powder according to another embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a bonding melt of the method for producing polysilicon filaments using silicon nano powder according to an embodiment of the present invention It is sectional drawing which shows step
  • polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder As shown, polysilicon filament manufacturing method using a silicon nano powder according to another embodiment of the present invention, the fragment preparation step of preparing two polysilicon fragments that can be conformally conformed to the bonding surface (S210) And, the bonding surface processing step (S220) for processing the irregularities corresponding to each other on the bonding surface of the polysilicon fragment to be bonded, and the nano-powder filling step (S230) to fill the silicon nano powder in the groove portion of the processed bonding surface And a bonding melting step (S240) to bond and heat the bonding surface to melt the silicon nanopowder and connect the bonding surface, and to cool to room temperature after the bonding connection (S250).
  • Section preparation step (S210), bonding surface processing step (S220), nano powder filling step (S230) is the same as described above, duplicate description is omitted.
  • the bonding surfaces are bonded in a state in which the silicon nano powders are not melted so that the silicon nano powders 150 are filled in the separation space. After that, the silicon nano powder 150 is melted by applying heat.
  • the heating temperature is higher than the melting temperature of the silicon nano powder, and lower than the polysilicon melting temperature as in the previous embodiment.
  • the silicon nano powder is to be heated in a state in which it is confined in the space, it is difficult to use a heating method using a light source, it is preferable to use an induction heating method as a heating method.
  • Induction heating method has the advantage of locally increasing the temperature of the center of the junction according to the frequency power.
  • the cooling step performed after the joining melting step may use a method of shutting off the power of the induction heating means, naturally cooling or forced cooling.
  • the polysilicon filament manufacturing method using the silicon nanopowder according to the present invention is a method for manufacturing the polysilicon filament of the desired length by processing the end of the polysilicon fragments directly connected using the silicon nanopowder To provide.
  • This method makes it possible to connect to the junction without introducing impurities. Therefore, damaged polysilicon filament fragments can be recycled, and short polysilicon filament fragments can be manufactured and then connected to each other, resulting in a cost savings in polysilicon filament manufacturing.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
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Abstract

폴리실리콘 필라멘트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파손 등에 의하여 절단된 폴리실리콘 절편을 연결하여 원하는 길이의 폴리실리콘 필라멘트를 제조하는 방법에 관하여 개시한다. 본 발명은 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계; 접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계; 상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계; 상기 충진된 실리콘 나노파우더가 용융되도록 가열하는 가열용융단계; 및 상기 용융된 실리콘 나노파우더에 절편의 돌기부를 가압하고 냉각하여 접합면을 연결하는 접합연결단계;를 포함하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 제공한다.

Description

실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법
본 발명은 폴리실리콘 필라멘트 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파손 등에 의하여 절단된 폴리실리콘 절편을 연결하여 원하는 길이의 폴리실리콘 필라멘트를 제조하는 방법에 관한 것이다.
지멘스 방법으로 폴리실리콘을 제조할 때 폴리실리콘 필라멘트가 필수적으로 필요하다. 현재 사용되는 필라멘트는 초크랄스키법(CZ법) 또는 플로팅존법(FZ법)으로 제조되거나, 제조된 폴리실리콘 로드를 필라멘트 규격으로 가공하여 사용하고 있다.
폴리실리콘을 녹여서 필라멘트를 만드는 방법인 CZ법이나 FZ법의 경우 긴 필라멘트를 만들기 위해서는 그 길이 이상의 반응기가 필요하게 되고, 제조 도중 필라멘트 모양의 특성으로 인해서 파손될 확률이 매우 높다.
특히 폴리실리콘 로드에서부터 필라멘트를 직접 가공하여 사용하는 경우는 폴리실리콘 로드의 길이가 필라멘트 길이 이상이 되어야 한다는 어려움이 있다.
또한, 가늘고 긴 필라멘트를 반응기 내부에 설치할 때도 부러질 확률이 매우 높으며, 그 경우 부러진 필라멘트의 재사용이 사실상 불가능한 한계를 가지고 있었다.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허 공개번호 10-2013-0019568호 (공개일자 2013년 2월 27일) '폴리실리콘 제조장치 및 폴리실리콘 제조방법'이 있다.
본 발명의 목적은 폴리실리콘 절편을 연결하여 폴리실리콘 필라멘트를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 폴리실리콘 나노파우더를 이용하여 불순물의 유입없이 폴리실리콘 절편을 연결하여 폴리실리콘 필라멘트를 제조하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계; 접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계; 상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계; 상기 충진된 실리콘 나노파우더가 용융되도록 가열하는 가열용융단계; 상기 용융된 실리콘 나노파우더에 절편의 돌기부를 가압하고 냉각하여 접합면을 연결하는 접합연결단계; 및 접합 연결 후 상온으로 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 제공한다.
상기 접합면가공단계는 하부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 상면에 상기 실리콘나노파우더가 충진될 요홈부와, 그 주변에 외측으로 갈수록 상향경사진 경사플랜지면을 가공하고, 상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면에 상기 요홈부에 삽입되는 돌기부를 가공할 수 있다.
상기 돌기부는 상기 요홈부의 사이에 간격이 형성되도록 가공되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합면가공단계는 상기 상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면의 상기 돌기부 주변에, 외측으로 갈수록 상향경사지게 형성되며, 상기 경사플랜지면 보다 경사각이 작은 덮개플랜지면을 가공할 수 있다.
상기 나노파우더충진단계는 하부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 상면과, 상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면이 접합되었을 때 그 사이에 존재하는 이격공간의 체적을 채울 수 있는 질량의 실리콘 나노파우더를 충진하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 나노파우더충진단계에서 충진되는 상기 실리콘 나노파우더는 평균입경 200nm 이하인 것을 사용할 수 있다.
상기 가열용융단계는 상기 실리콘 나노파우더에 광을 집광하여 상기 실리콘 나노파우더를 용융시키는 것이 바람직하며, 광원으로 할로겐 램프를 사용하여, 폴리실리콘의 융점보다 낮고 실리콘 나노파우더의 융점보다 높은 온도로 가열하면 더욱 바람직하다.
상기 냉각단계는 접합된 부분의 온도가 상온으로 될 때까지 냉각을 수행하는 단계로 광원의 동작을 중지하고 자연냉각으로 방치하거나, 냉각기체를 송풍하여 강제냉각하는 방법을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 냉각단계 이후에, 접합부의 외면을 가공하여 전체적으로 일정한 외경을 가지도록 하는 추가가공단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 실시형태로, 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계; 접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계; 상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계; 상기 접합면을 접합하고 가열하여 상기 실리콘 나노파우더가 용융되며 접합면을 연결하도록 하는 접합용융단계; 및 접합 연결 후 상온으로 냉각하는 냉각단계를 포함하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 제공한다.
상기 접합용융단계는 유도가열을 이용하여, 접합이 이루어지는 부분을 폴리실리콘의 융점보다 낮고 실리콘 나노파우더의 융점보다 높은 온도로 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명은 폴리실리콘 절편을 불순물 없이 연결하여 폴리실리콘 필라멘트를 제조할 수 있는 방법을 제공함으로써, 폴리실리콘 제조에 소모되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 나타낸 공정순서도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합면가공단계에서 가공되는 접합면을 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 나노파우더충진단계를 나타낸 단면도,
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 가열용융단계를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합연결단계를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 나타낸 공정순서도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합용융단계를 나타낸 단면도임.
* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명 *
S110, S210 : 절편 마련 단계
S120, S220 : 접합면 가공 단계
S130, S230 : 나노 파우더 충진 단계
S140 : 가열 용융 단계
S150 : 접합 연결 단계
S160, S250 : 냉각단계
S240 : 접합 용융 단계
110, 120 : 폴리실리콘 절편
112 : 돌기부
114 : 덮개플랜지면
122 : 요홈부
124 : 경사플랜지면
150 : 실리콘 나노파우더
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.
본 발명에 따른 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은 파손된 폴리실리콘 필라멘트 또는 짧은 길이로 제조된 폴리실리콘 절편을 연결하여 원하는 길이의 폴리실리콘 필라멘트를 제조할 수 있도록 하는 방법이다.
본 발명에 따른 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은 폴리실리콘 절편을 실리콘 나노파우더를 이용하여 용접접합 하도록 함으로써 접합부에 불순물 유입 없이 폴리실리콘 필라멘트를 제조할 수 있게 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은, 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계(S110)와, 접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계(S120)와, 상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계(S130)와, 상기 충진된 실리콘 나노파우더가 용융되도록 가열하는 가열용융단계(S140)와, 상기 용융된 실리콘 나노파우더에 절편의 돌기부를 가압하고 냉각하여 접합면을 연결하는 접합연결단계(S150)와, 접합 연결 후 접합부를 상온으로 냉각하는 냉각단계(S160)를 포함한다.본 발명에 따른 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은 두개의 폴리실리콘 절편을 연결하는 방법을 제공하는 것으로, 원하는 길이의 폴리실리콘 필라멘트의 제조를 위해서 3개 혹은 그 이상의 갯수의 폴리실리콘 절편을 연결할 수도 있다.
또한, 상기 냉각단계(S160) 이후에 접합부의 외면을 가공하여 전체적으로 일정한 외경을 가지도록 하는 추가가공단계를 더 포함할 수 있다.
추가가공단계는 접합부의 외면으로 용융 실리콘이 돌출된 경우 이를 제거하는 단계이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합면가공단계에서 가공되는 접합면을 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은 서로 연결할 폴리실리콘 절편을 선정한 후, 이들을 가공하는 접합면가공단계(S120)를 수행한다.
두 개의 폴리실리콘 필라멘트를 연직방향으로 배치하고 서로 연결할 것이므로, 하나의 폴리실리콘 절편은 상면이 접합면이 되고, 다른 하나의 폴리실리콘 절편은 하면이 접합면이 된다.
하부에 배치될 폴리실리콘 절편(120)의 상면에는 요홈부(122)을 가공하고, 상부에 배치될 폴리실리콘 절편(110)의 하면에는 돌기부(112)를 가공한다.
요홈부(122)에는 후술하는 나노파우더충진단계(S130)에서 실리콘 나노파우더(도 3의 150)가 충진된다.
도시한 바와 같이, 요홈부(122)의 주변에는 외측으로 갈수록 상향경사진 경사플랜지면(124)이 형성하고, 돌기부(112)의 주변으로는 상기 경사플랜지면(124)과 같이 외측으로 갈수록 상향경사지되 상기 경사플랜지면(124)보다 작은 경사각을 가지는 덮개플랜지면(114)을 형성한다.
또한, 돌기부(112)와 요홈부(122)의 사이에 간격이 형성되도록 돌기부(112)는 요홈부(122)보다 작게 형성된다.
이는 도면의 우측에 도시된 바와 상하의 접합면을 서로 밀착하였을 때 하나로 연결되는 이격공간(S)이 형성되도록 하기 위해서이다.
이 때, 이격공간(S)을 계산하여, 이를 실리콘 나노파우더 충진량에 반영한다.
예를 들어 이격공간의 체적이 2cc 인 경우, 실리콘 나노파우더를 충진량은 용융되었을 때 2cc에 해당하는 질량으로 하는 것이 바람직하다.
이렇게 이격공간의 체적과 충진되는 실리콘 나노파우더의 질량을 대응하게 하면, 용융된 실리콘 나노파우더(150)가 접합연결시 이격공간을 벗어나지 않게 되어 폴리실리콘 필라멘트가 전체적으로 균일한 단면적을 가지게 된다.
경사플랜지면(124)과 덮개플랜지면(114)이 외측으로 갈수록 상향경사지게 형성하는 것은 용융된 실리콘이 흘러내리지 않도록 하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 나노파우더충진단계를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이, 접합면의 가공을 완료한 후 요홈부(122)가 가공된 폴리실리콘 절편(120)을 연직 방향으로 배치한 후, 요홈부(122)에 실리콘 나노파우더(150)를 충진한다.
실리콘 나노파우더(150)는 상술한 바와 같이 이격공간(S)의 체적에 해당하는 질량만큼 충진하는 것이 바람직하다.
또한, 요홈부(122)의 수용체적은 채워지는 실리콘 나노파우더(150)의 체적과 동일하거나 그보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우 실리콘 나노파우더(150)가 경사플랜지면(124)을 덮을 정도로 채워져야 하는데 이 경우 용융시켜야 하는 면적이 커져서 바람직하지 못하다.
즉, 실리콘 나노파우더(150)는 요홈부(122)에만 충진될 수 있도록, 요홈부(122)의 부피가 이격공간의 체적과 동일하거나 그보다 크게 형성하는 것이 바람직하다.
실리콘 나노파우더(150)는 평균입경 200nm 이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
실리콘 입자가 상기와 같은 크기로 나노화되면 용융온도가 폴리실리콘에 비하여 낮아지게 된다. 이를 통해 폴리실리콘 절편은 용융되지 않은 상태에서 실리콘 나노파우더만을 용융시킬 수 있게 된다.
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 가열용융단계를 나타낸 단면도이다.
가열용융단계(S400)는 요홈부(122)에 채워진 실리콘 나노파우더(150)를 용융시키는 것으로, 폴리실리콘 절편은 용융되지 않도록 하고 실리콘 나노파우더(150)만 용융될 수 있도록 가열하는 것이다. 따라서 가열온도는 폴리실리콘의 융점보다 낮고 충진된 실리콘 나노파우더의 융점보다 높은 온도보다 높게 형성되어야 한다.
국부적으르로 실리콘 나노파우더가 충진된 요홈부 영역만을 가열하면 충분하므로, 광을 이용한 직접 가열 방식을 사용할 수 있다.
도시한 바와 같이 할로겐 램프(210)를 광원으로 하고, 볼록렌즈(212) 또는 오목거울(214)과 같은 광학수단을 이용하여 요홈부에 충진된 실리콘 나노파우더(150)를 가열하여 용융시킨다.
할로겐 램프(210)를 사용하는 대신 레이저를 광원으로 사용할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합연결단계를 나타낸 단면도이다.
도시한 바와 같이, 요홈부(122)에 충진된 실리콘 나노파우더(150)를 가열하여 용융시킨 후, 돌기부(112)가 가공된 폴리실리콘 절편(110)을 정렬하여 접합면을 서로 밀착시킨다.
접합면을 밀착시키게 되면, 돌기부(112)가 요홈부(122)로 밀려들어가면서 그 내부의 용융된 실리콘(150)이 경사플랜지면(124)과 덮개플랜지면(114) 사이로 밀려나오면서 이격공간(S)을 메우게 된다.
광을 이용하여 가열하게 되므로, 돌기부(112)가 요홈부(122)로 밀려들어가며 열의 공급원인 광이 차단되어 용융실리콘의 직접가열이 멈추게 되어, 용융실리콘이 고화된다. 이 때 광원의 동작을 멈출 수도 있다.
접합연결단계 이후에 냉각단계를 수행하게 되는데, 냉각단계는 접합된 부분의 온도가 상온으로 될 때까지 냉각을 수행하는 단계로 광원의 동작을 중지하고 자연냉각으로 방치하거나, 냉각기체를 송풍하여 강제냉각하는 방법을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법을 나타낸 공정순서도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법의 접합용융단계를 나타낸 단면도이다
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은, 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계(S210);와, 접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계(S220)와, 상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계(S230)와, 상기 접합면을 접합하고 가열하여 상기 실리콘 나노파우더가 용융되며 접합면을 연결하도록 하는 접합용융단계(S240)와, 접합 연결 후 상온으로 냉각하는 단계(S250)를 포함한다.
절편마련단계(S210), 접합면가공단계(S220), 나노파우더충진단계(S230)는 앞서 설명한 바와 동일하므로, 중복 설명은 생략한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 경우 접합용융단계(S240)에서, 실리콘 나노파우더를 용융시키지 않은 상태에서 접합면을 접합하여 이격공간에 실리콘 나노파우더(150)가 충진된 상태가 되도록 한 후, 열을 가하여 실리콘 나노파우더(150)가 용융되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 가열온도는 앞선 실시예와 마찬가지로 실리콘 나노파우더의 용융온도보다는 높고, 폴리실리콘 용융온도보다는 낮은 범위에서 이루어진다.
실리콘 나노파우더가 이격공간에 갇혀진 상태에서 가열이 이루어져야 하므로, 광원을 이용한 가열방식을 사용하기는 곤란하므로, 가열방식으로는 유도가열 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
유도가열방식은 주파수 파워에 따라 접합부 중심의 온도를 국부적으로 상승시킬 수 있는 장점을 가진다.
접합용융단계 이후에 수행되는 냉각단계는 유도가열수단의 전원을 차단하고, 자연냉각하거나, 강제냉각하는 방법을 사용할 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 나노파우더를 이용한 폴리실리콘 필라멘트 제조방법은 폴리실리콘 절편의 단부를 가공하여 실리콘 나노파우더를 이용하여 직접 연결하여 원하는 길이의 폴리실리콘 필라멘트를 제조할 수 있도록 하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 접합부에 불순물의 유입 없이 연결할 수 있도록 한다. 따라서 파손된 폴리실리콘 필라멘트 절편을 재활용할 수 있으며, 짧은 길이의 폴리실리콘 필라멘트 절편을 제조한 후 이들을 연결할 수도 있게 되므로 결과적으로 폴리실리콘 필라멘트 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계;
    접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계;
    상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계;
    상기 충진된 실리콘 나노파우더가 용융되도록 가열하는 가열용융단계;
    상기 용융된 실리콘 나노파우더에 절편의 돌기부를 가압하고 냉각하여 접합면을 연결하는 접합연결단계; 및
    접합 연결 후 상온으로 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합면가공단계는
    하부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 상면에 상기 실리콘 나노파우더가 충진될 요홈부와, 그 주변에 외측으로 갈수록 상향경사진 경사플랜지면을 가공하고,
    상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면에 상기 요홈부에 삽입되는 돌기부를 가공하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 요홈부와의 사이에 간격이 형성되도록 가공되는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 접합면가공단계는
    상기 상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면의 상기 돌기부 주변에,
    외측으로 갈수록 상향경사지게 형성되며, 상기 경사플랜지면 보다 경사각이 작은 덮개플랜지면을 가공하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노파우더충진단계는
    하부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 상면과, 상부에 놓여질 폴리실리콘 절편의 하면이 접합되었을 때 그 사이에 존재하는 이격공간의 체적을 메울 수 있는 질량의 실리콘 나노파우더를 충진하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노파우더충진단계에서 충진되는 상기 실리콘 나노파우더는 평균입경 200nm 이하인 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열용융단계는
    상기 실리콘 나노파우더에 광을 집광하여 상기 실리콘 나노파우더를 용융시키는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가열용융단계는
    광원으로 할로겐 램프를 사용하여, 폴리실리콘의 융점보다 낮고 실리콘 나노파우더의 융점보다 높은 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각단계 이후에,
    접합부의 외면을 가공하여 전체적으로 일정한 외경을 가지도록 하는 추가가공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  10. 접합면이 서로 형태적으로 일치할 수 있는 두 개의 폴리실리콘 절편을 마련하는 절편마련단계;
    접합하고자 하는 폴리실리콘 절편의 접합면에 서로 대응되는 요철을 가공하는 접합면가공단계;
    상기 가공된 접합면의 요홈부에 실리콘 나노파우더를 충진하는 나노파우더충진단계;
    상기 접합면을 접합하고 가열하여 상기 실리콘 나노파우더가 용융되며 접합면을 연결하도록 하는 접합용융단계; 및
    접합 연결 후 상온으로 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 접합용융단계는
    유도가열을 이용하여, 접합이 이루어지는 부분을 폴리실리콘의 융점보다 낮고 실리콘 나노파우더의 융점보다 높은 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 폴리실리콘 필라멘트 제조방법.
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