KR101895538B1

KR101895538B1 - 폴리실리콘 제조 장치

Info

Publication number: KR101895538B1
Application number: KR1020160102394A
Authority: KR
Inventors: 박성은; 김지웅; 이희동
Original assignee: 한화케미칼 주식회사
Priority date: 2015-09-08
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-09-05
Also published as: US20180229203A1; KR20170030029A; US10293326B2; CN108025918A; TWI616564B; TW201716650A; CN108025918B

Abstract

본 발명의 목적은 화학기상증착 반응기 내부에서 원료 가스의 흐름을 층류(laminar flow)로 형성하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는, 베이스 플레이트 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기, 상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자, 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 가스 유입구로 유입되는 원료 가스의 화학기상증착으로 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트, 및 상기 반응기의 상측에 구비되는 관통구로 삽입되어 상기 베이스 플레이트에 지지되며, 상기 반응 후 가스를 배출하는 가스 통로를 형성하여 상기 베이스 플레이트에 형성되는 가스 배출구에 연결되고, 상기 가스 통로의 외측에 냉각수 통로를 형성하여 상기 반응기의 외부로부터 저온의 냉각수를 상기 냉각수 통로로 유입 및 순환시켜 상기 반응기의 외측으로 고온의 냉각수를 배출하는 냉각 재킷을 포함한다.

Description

폴리실리콘 제조 장치 {POLYSILICON MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은 폴리실리콘 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학기상증착 반응기의 내부에서 원료 가스의 흐름을 층류(laminar flow)로 형성하는 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 원료 가스를 투입하여 직경 120~150mm의 실리콘 로드(Si rod)를 생산한다.

일례를 들면, 화학기상증착 공정시, 원료 가스가 반응기의 하부에서 들어와 공정 후, 상부에서 방향 전환하여 다시 하부로 빠져 나가므로 난류(turbulent flow)를 형성한다. 난류는 대류에 의한 열 손실을 증대시켜 전기 원단위를 증가시킨다.

난류에 의하여, 원료 가스는 들어오는 흐름과 빠져 나가는 흐름 사이에서 정체되면서 핫 스팟(hot spot)을 형성하여, 실리콘 로드의 주변에서 기체 속도의 편차, 실리콘 로드의 직경 편차 및 실리콘 로드의 표면 온도의 편차를 증대시킨다.

실리콘 로드들의 표면 온도가 불균일하게 되면, 핫 스팟 주위에서 팝콘(popcorn)이 생성되어 폴리실리콘의 생산성 및 품질이 저하된다. 즉 폴리실리콘의 경쟁력이 하락한다

본 발명의 목적은 화학기상증착 반응기 내부에서 원료 가스의 흐름을 층류(laminar flow)로 형성하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하는 것이다. 즉 본 발명의 목적은 느린 유속의 층류를 통하여 대류 열손실을 억제하여 에너지 절감을 극대화 하고, 실리콘 로드의 주변에서 기체 속도의 편차, 실리콘 로드의 직경 편차 및 실리콘 로드의 표면 온도의 편차를 최소화하는 폴리실리콘 제조 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는, 베이스 플레이트 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기, 상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자, 상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 가스 유입구로 유입되는 원료 가스의 화학기상증착으로 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트, 및 상기 반응기의 상측에 구비되는 관통구로 삽입되어 상기 베이스 플레이트에 지지되며, 상기 반응 후 가스를 배출하는 가스 통로를 형성하여 상기 베이스 플레이트에 형성되는 가스 배출구에 연결되고, 상기 가스 통로의 외측에 냉각수 통로를 형성하여 상기 반응기의 외부로부터 저온의 냉각수를 상기 냉각수 통로로 유입 및 순환시켜 상기 반응기의 외측으로 고온의 냉각수를 배출하는 냉각 재킷을 포함한다.

상기 가스 배출구는 상기 베이스 플레이트의 중심에 형성되고, 상기 가스 유입구는 상기 가스 배출구에서 상기 베이스 플레이트의 직경 방향 외곽으로 이격된 위치에 배치될 수 있다.

상기 냉각 재킷은 상기 반응 챔버의 중심에 배치되어 상기 가스 통로를 상기 가스 배출구에 연결할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는, 상기 냉각 재킷과 상기 베이스 플레이트 사이에 배치되는 개스킷을 더 포함하며, 상기 개스킷은 상기 가스 통로와 상기 가스 배출구를 연통시키고, 상기 연통을 상기 반응 챔버 내부와 차단할 수 있다.

상기 냉각 재킷의 하단은 오목 홈을 형성하고, 상기 개스킷은 일측으로 상기 오목 홈에 결합되고, 다른 일측으로 상기 베이스 플레이트에 지지될 수 있다.

상기 냉각 재킷은 상기 반응기에 설치되고 상기 냉각수 통로에 연결되어 저온의 냉각수를 유입하는 냉각수 유입구, 상기 냉각수 통로에 연결되어 고온의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출구, 및 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구를 상기 냉각수 통로에 연결하며, 서로 이격 배치되어 내측에 상기 가스 통로를 형성하고 외측에 상기 냉각수 통로를 형성하는 내부 배관과 외부 배관을 포함할 수 있다.

상기 반응기는 관통되는 설치 구멍의 외측에 제1플랜지를 구비하고, 상기 냉각 재킷은 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구에 고정되는 제2플랜지를 포함하며, 상기 냉각 재킷을 상기 반응기 내부에 삽입한 상태에서, 상기 제2플랜지는 상기 제1플랜지 상에서 상기 설치 구멍을 폐쇄하고 상기 제1플랜지에 체결부재로 체결될 수 있다.

상기 내부 배관과 상기 외부 배관은 상기 로드 필라멘트의 상단에 대응하여 상기 가스 통로의 개구를 형성할 수 있다.

상기 냉각 재킷은 인콜로이(Incoloy 800H, Incoloy 800), 스테인레스 스틸(SS316L, SS316) 및 하스텔로이(Hastelloy) 중 하나로 형성될 수 있다.

상기 원료 가스는 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS)를 포함할 수 있다.

상기 원료 가스는 디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 및 수소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 가스 통로와 냉각수 통로를 구비한 냉각 재킷을 반응기 내부에 설치하여, 화학기상증착 반응 후 가스를 상부에서 가스 통로로 배출하므로 반응기의 내부에서 원료 가스의 흐름을 하부에서 상부로 설정되는 층류(laminar flow)로 형성할 수 있다.

따라서 원료 가스의 층류는 로드 필라멘트에 실리콘이 증착되어 형성되는 실리콘 로드의 주변에서 기체 속도의 편차, 실리콘 로드의 직경 편차 및 실리콘 로드 표면 온도의 편차를 최소화할 수 있다. 또한 층류는 대류에 의한 열 손실을 감소시켜 전기 원단위를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 반응기의 상부와 냉각 재킷의 분해 사시도이다.
도 3은 베이스 플레이트 상에 냉각 재킷이 설치된 상태의 부분 단면도이다.
도 4는 도 1의 반응기 내부에서 원료 가스가 층류를 형성하는 상태도이다.
도 5는 종래기술과 일 실시예에서 반응기 내의 위치별 실리콘 로드들 간의 표면 온도의 편차를 도시한 그래프이다.
도 6a는 종래기술에서 전력 소모량을 도시한 그래프이다.
도 6b는 일 실시예에서 전력 소모량을 도시한 그래프이다.
도 7은 도 1의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 층류를 형성하는 상태도이다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 비교예 1, 2, 3의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 난류를 형성하는 상태도이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 비교예 4, 5, 6, 7의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 난류를 형성하는 상태도이다.
도 10은 비교예의 반응기 내에서 핫 스팟이 형성되는 것을 도시한 상태도이다.
도 11은 도 1의 반응기 내에서 핫 스팟이 형성되는 것을 도시한 상태도이다.

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 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 폴리실리콘 제조 장치는 반응기(지멘스 방식의 화학기상증착 반응기)(10) 내에 냉각 재킷(50)을 구비하여, 원료 가스를 공급하여 화학기상증착 반응 후 가스를 냉각 재킷(50)의 가스 통로(51)로 배출한다.

이때, 냉각 재킷(50)은 내부의 가스 통로(51)로 반응 후 가스를 배출하면서 가스 통로(51)의 외측에 구비되는 냉각수 통로(52)로 반응 후 가스를 냉각시킨다. 반응 후 가스의 냉각은 고온의 반응 후 가스가 가스 통로(51)로 배출되면서 반응기(10) 내부로 유입되는 원료 가스에 열적으로 영향을 미치지 않게 한다.

또한, 냉각 재킷(50)은 반응기(10)로 설정되는 반응 챔버(11)의 중심에 설치됨으로써 반응이 종료된 반응 후 가스를 반응 종료 지점에 대응하는 반응기(10) 내부의 상측으로부터 가스 통로(51)를 통하여 배출시킬 수 있다. 그리고 원료 가스가 반응기(10)의 하부에서 유입되고, 반응 후 가스가 반응기(10)의 상부로부터 바로 배출되므로 반응기(10)의 내부에서 원료 가스의 층류가 효과적으로 형성될 수 있다.

반응기(10) 내에서 원료 가스가 하부에서 상부로 흐르고, 반응 후 가스가 상부 중앙에서 하부로 배출되어 반응 챔버(11) 내에 층류를 형성하므로 실리콘 로드(40) 주변의 기체 속도 편차, 실리콘 로드(40)의 직경 편차 및 실리콘 로드(40) 표면의 온도 편차가 작아진다.

따라서 대류로 인한 열 손실이 줄어들어 전기 소모량이 줄어들 수 있다. 그리고 반응기(10) 내의 실리콘 로드(40) 주변에서 핫 스팟(hot spot)이 최소화 될 수 있다. 즉, 실리콘 로드(40)에서 팝콘 생성이 억제될 수 있고, 반응 챔버(11)로부터 실리콘 파우더의 배출이 용이해질 수 있다.

또한 원료 가스는 트리클로로실란(trichlorosilane, TCS) (SiHCl₃ + H₂ → Si + SiHCl₃ + SiCl₄+ HCl + H₂)을 포함하므로 종래의 모노실란 유량의 10~20% 정도로 충분하다. 즉 적은 유량의 원료 가스로 실리콘 로드(40)가 제조될 수 있다.

원료 가스는 디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 및 수소 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

트리클로로실란(TCS)은 500~600℃의 분해 온도와 약 1.8~2.0mm/hr의 증착 속도 및 Cl의 존재로 인하여 약한 내부식성을 가진다. 비교예를 들면, 모노실란은 300~400℃의 분해 온도와 약 1mm/hr의 증착 속도 및 강한 내부식성을 가진다.

트리클로로실란(TCS)을 포함하는 원료 가스는 모노실란과 비교할 때, 분해 온도와 증착 온도에서 약 200℃ 정도 더 높다. 이로 인하여, 반응기(10)에서 화학기상증착시, 트리클로로실란(TCS)을 포함하는 원료 가스는 모노실란에 비하여, 실리콘 파우더 생성 가능성을 낮출 수 있으므로 실리콘의 증착 효율을 높일 수 있다.

모노실란은 장비를 부식시키지 않지만 공기 중에 노출되면 불꽃이 발생하므로 안전을 위하여 장비의 밀폐를 요구한다. 그러나 트리클로로실란(TCS)은 Cl의 존재로 인하여 공정 시 장비를 부식시킬 우려가 있지만, 공기 중에 노출되어도 불꽃을 일으키지는 않으므로 높은 안전성을 가질 수 있다.

구체적으로 설명하면, 일 실시예의 폴리실리콘 제조 장치는 반응 챔버(11)를 형성하는 반응기(10), 베이스 플레이트(21)에 설치되는 복수 쌍의 전극단자(20) 및 전극단자(20)에 설치되어 상단에서 로드 브릿지(31)로 연결되는 복수 쌍의 로드 필라멘트(30)를 포함한다.

반응기(10)는 벨형 반응기로 구성되어 베이스 플레이트(21) 상에 반응 챔버(11)를 형성하고, 베이스 플레이트(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 플레이트(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 반응 후 가스가 가스 배출구(23)를 통해 반응 챔버(11) 밖으로 배출된다.

가스 배출구(23)는 베이스 플레이트(21)의 중심에 구비되어 반응 후 가스를 배출한다. 가스 유입구(22)는 가스 배출구(23)의 외곽에서, 즉 베이스 플레이트(21)의 직경 방향 외측에서 복수 위치에 형성된다. 한편, 일례로써, 가스 유입구(22)는 실리콘 로드(40) 3~5개 당 1개로 구비될 수 있다. 가스 유입구(22)의 단부에서 유입되는 원료 가스는 3~6m/s의 기체 속도를 가질 수 있다.

쌍으로 구성되는 전극단자(electrical feedthroughs)(20, 20)는 베이스 플레이트(21)의 외부에서 반응 챔버(11)의 내부로 연장되어 설치된다. 전극단자(20)의 단부에는 로드 지지대(24)로 지지되는 전극(25)이 연결된다.

쌍으로 구성되는 로드 필라멘트(rod filaments)(30, 30)는 반응 챔버(11) 내에서 서로 이격되어, 직립된 상단에서 로드 브릿지(31)에 의하여 수평으로 연결된다. 그리고 쌍으로 구성되는 로드 필라멘트(30, 30)는 하단에서 전극(25) 및 전극단자(20)를 통하여 외부의 전기 에너지 공급원에 연결된다. 따라서 1쌍의 로드 필라멘트(30, 30)는 로드 브릿지(31)와 함께 하나의 전기 회로를 형성한다.

전극단자(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 의하여 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, 냉각 재킷(50)은 냉각수를 순환시켜 냉각 재킷(50)의 표면에 폴리실리콘이 증착되지 않게 하고, 실리콘 로드(40)가 용융되지 않게 한다.

즉 냉각수는 냉각 재킷(50)에서 가스 통로(51) 및 가스 배출구(23)로 배출되는 고온의 반응 후 가스를 냉각시키므로 반응 후 가스의 열이 반응 챔버(11) 내의 원료 가스로 전달되어 난류가 형성되는 것을 방지한다. 따라서 반응 챔버(11)에서 원료 가스가 층류를 더 효과적으로 형성할 수 있다.

냉각 재킷(50)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.

냉각 재킷(50)은 반응기(10)의 상측에 구비되는 설치 구멍(14)로 삽입되어 하단으로 베이스 플레이트(21)에 지지된다. 냉각 재킷(50)은 내측에 가스 통로(51)를 형성하여 베이스 플레이트(21)에 형성되는 가스 배출구(23)에 연결되어, 반응 후 가스를 가스 통로(51) 및 가스 배출구(23)로 배출할 수 있게 한다.

또한, 냉각 재킷(50)은 가스 통로(51)의 외측에 냉각수 통로(52)를 형성하여 냉각수를 순환시킬 수 있게 한다. 냉각수 통로(52)는 반응기(10)의 외부로부터 저온의 냉각수를 유입 및 순환시켜 반응기(10)의 외측으로 고온의 냉각수를 배출하도록 구성된다. 일례로써, 냉각수 및 냉각 재킷(50) 표면의 온도는 500℃ 이하일 수 있다.

냉각 재킷(50)은 반응 챔버(11)의 중심에 설치되며, 가스 배출구(23)는 베이스 플레이트(21) 상의 중심에 형성되고, 가스 유입구(22)는 가스 배출구(23)에서 베이스 플레이트(21)의 직경 방향으로 이격되어 외측에 배치된다. 따라서 가스 통로(51)는 가스 배출구(23)에 연결되어, 반응 챔버(11) 내에서 반응을 거친 반응 후 가스를 반응 챔버(11)의 외부로 배출할 수 있게 한다.

도 2는 도 1에서 반응기의 상부와 냉각 재킷의 분해 사시도이고, 도 3은 베이스 플레이트 상에 냉각 재킷이 설치된 상태의 부분 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 냉각 재킷(50)은 냉각수 유입구(53) 및 냉각수 배출구(54)를 구비하고, 가스 통로(51)와 냉각수 통로(52)를 형성하는 내부 배관(55)과 외부 배관(56)을 포함한다.

냉각수 유입구(53)는 반응기(10)에 설치되고 냉각수 통로(52)에 연결되어 반응기(10)의 외부로부터 저온의 냉각수를 유입한다. 냉각수 통로(52)를 순환하는 냉각수는 냉각 재킷(50)의 표면을 냉각하여 폴리실리콘이 증착되지 않게 하고, 실리콘 로드(40)가 용융되지 않게 한다.

냉각수 배출구(54)는 냉각수 통로(52)에 연결되어 반응기(10)의 내부로부터 고온의 냉각수를 배출한다. 본 실시예는 냉각수 유입구(53)와 냉각수 배출구(54)를 각각 2개씩 구비하여, 비상시에도 냉각수의 유입 및 배출을 가능하게 한다.

내부 배관(55)과 외부 배관(56)은 2중 구조로 배치되어, 내부 배관(55)의 내측으로 가스 통로(51)를 형성하고, 내, 외부 배관(55, 56)의 간격으로 가스 통로(51)의 외측에 냉각수 통로(52)를 형성한다.

또한 반응기(10)는 돔 구조의 상측에 관통되는 설치 구멍(14)의 외측에 제1플랜지(15)를 구비한다. 냉각 재킷(50)은 냉각수 유입구(53)와 냉각수 배출구(54)에 고정되는 제2플랜지(57)를 구비한다.

편의상, 도 2에서 냉각수 유입구(53)와 냉각수 배출구(54)는 제2플랜지(57)와 분리된 상태로 도시되어 있으나, 제2플랜지(57)에 삽입 고정되어 일체를 형성한다.

냉각 재킷(50)은 설치 구멍(14)을 통하여 반응기(10) 내부로 삽입되어 냉각수 유입구(53)와 냉각수 배출구(54)의 일부를 설치 구멍(14) 밖으로 돌출한 상태를 유지한다.

이 상태에서, 제2플랜지(57)는 제1플랜지(15)에 상에 배치되어 설치 구멍(14)을 폐쇄하면서 제1플랜지(15)에 체결부재로 체결된다. 일례로써, 체결부재는 볼트(16)와 너트(17)로 구비되어, 제1, 제2플랜지(15, 57)의 체결구(151, 571)를 통하여 서로 체결된다.

도 4는 도 1의 반응기 내부에서 원료 가스가 층류를 형성하는 상태도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 내, 외부 배관(55, 56)은 로드 필라멘트(30)의 상단에 대응하여 가스 통로(51)의 개구(511)를 형성한다.

따라서 반응 챔버(11) 내의 반응 후 가스(G)는 실리콘 로드(40)의 상단에서 가스 통로(51)로 바로 유입되어 가스 배출구(23)로 배출될 수 있다. 즉 반응 후 가스(G)는 반응 챔버(11) 내의 원료 가스에 흐름적으로 영향을 미지지 않는다.

다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 냉각 재킷(50)은 개스킷(60)를 개재하여 베이스 플레이트(21)에 설치된다. 개스킷(60)은 가스 통로(51)와 가스 배출구(23)를 연통시키고, 이 연통을 반응 챔버(11)의 내부와 차단된다.

따라서 가스 통로(51)와 가스 배출구(23)를 경유하는 반응 후 가스(G)는 반응 챔버(11) 내에 공급되어 화학기상증착 반응하는 원료 가스의 흐름에 영향을 미치지 않는다. 즉 반응 후 가스(G)에 의하여 반응 챔버(11) 내에서 난류가 형성되지 않고, 층류(LF)가 효과적으로 형성될 수 있다.

냉각 재킷(50)의 하단은 오목 홈(501)을 형성하고, 개스킷(60)은 일측으로 오목 홈(501)에 결합되어 다른 일측으로 베이스 플레이트(21)에 지지된다. 오목 홈(501)은 상부가 좁고 하부가 넓은 사다리꼴 구조로 형성되어 냉각 재킷(50)을 반응기(10) 내부로 삽입할 때, 개스킷(60)의 분리를 방지할 수 있다. 일례로써, 개스킷(60)은 내열성을 가지는 불소수지로 형성될 수 있다.

도 5는 종래기술과 일 실시예에서 반응기 내의 위치별 실리콘 로드들 간의 표면 온도의 편차를 도시한 그래프이다. 도 5를 참조하면, 종래기술의 실리콘 로드들은 반응기 내의 중심부, 중간부 및 외곽부에서 약 70℃ 정도의 표면 온도 편차(a)를 가진다.

이에 비하여, 일 실시예의 실리콘 로드들(40)은 반응기(10) 내의 중심부, 중간부 및 외곽부에서 약 20℃ 정도의 표면 온도 편차(b)를 가진다. 이와 같이, 일 실시예는 냉각 재킷(50)의 설치로 인하여, 실리콘 로드들(40)의 표면 온도 편차(b)를 종래기술의 표면 온도 편차(a)에 비하여 더 낮출 수 있다.

즉 일 실시예에서 실리콘 로드들(40)의 표면 온도가 균일하여, 폴리실리콘의 품질이 향상될 수 있다. 일 실시예는 냉각 재킷(50)의 설치로 인하여, 실리콘 로드(40)에서 상하부의 직경을 균일하게 하므로 종래기술에 비하여 발열량을 낮추고, 표면 온도를 더 낮출 수 있다.

도 6a는 종래기술에서 전력 소모량을 도시한 그래프이고, 도 6b는 일 실시예에서 전력 소모량을 도시한 그래프이다. 도 6a를 참조하면, 종래기술의 실리콘 로드들은 복사 49%, 대류 31%, 가스 히팅 16%, 및 접촉 손실 4%에 전력을 소모한다.

도 6b를 참조하면, 일 실시예의 실리콘 로드들(40)은 복사 63%, 대류 22%, 가스 히팅 9%, 및 접촉 손실 6%에 전력을 소모한다. 즉 일 실시예는 종래기술에 비하여, 대류로 인한 열 소실을 줄일 수 있고, 이로 인하여 전기 원단위를 낮출 수 있다.

도 7은 도 1의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 층류를 형성하는 상태도이다. 도 7을 참조하면, 일 실시예는 반응기(10)의 하부 양측에서 원료 가스(G11)를 유입하고, 냉각 재킷(50)을 이용하여 중심에서 반응 후 가스(G12)를 배출하므로 반응기(10) 내부에서 전체적으로 원료 가스(G11)에 의한 기체 속도의 편차를 줄일 수 있다.

이로 인하여, 반응기(10) 내부에서 원료 가스는 일정한 방향으로 흐르는 층류를 형성한다. 기체 속도 편차가 적고 층류가 형성되므로 실리콘 로드(40)의 직경 편차가 감소될 수 있다.

도 8a, 도 8b 및 도 8c는 비교예 1, 2, 3의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 난류를 형성하는 상태도이다. 도 8a를 참조하면, 비교예 1은 반응기(80)의 하부 중심 및 양측에서 원료 가스(G21)를 유입하고, 반응기(80)의 상부에서 반응 후 가스(G22)를 배출한다.

도 8b를 참조하면, 비교예 2는 반응기(80)의 하부 양측보다 중심에서 더 많은 원료 가스(G31)를 유입하고(가스 유입구 직경 증대), 반응기(80)의 상부에서 반응 후 가스(G32)를 배출한다.

도 8c를 참조하면, 비교예 3은 반응기(80)의 하부 양측보다 중심에서 더 많은 원료 가스(G41)를 유입하고(가스 유입구 개수 증대), 반응기(80)의 상부에서 반응 후 가스(G42)를 배출한다.

이와 같이, 비교예 1, 2, 3은 반응기(80)의 하부와 상부에서 원료 가스(G21, G31, G41)에 의한 기체의 속도 편차가 크며, 상, 하부 각각에서 원료 가스(G21, G31, G41)에 의한 난류를 형성한다. 기체 속도 편차가 크고 난류가 형성되므로 실리콘 로드의 직경 편차가 증가될 수 있다.

도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 비교예 4, 5, 6, 7의 반응기에서 시뮬레이션 하여 원료 가스가 난류를 형성하는 상태도이다. 도 9a를 참조하면, 비교예 4는 반응기(90)의 중앙 측면으로 원료 가스(G51)를 유입하고, 반응기(90)의 외곽 측면으로 반응 후 가스(G52)를 배출한다.

도 9b를 참조하면, 비교예 5는 반응기(90)의 외곽 측면으로 원료 가스(G61)를 유입하고, 반응기(90)의 중앙 측면으로 반응 후 가스(G62)를 배출한다. 도 9c를 참조하면, 비교예 6은 반응기(90)의 중앙 측면으로 원료 가스(G71)를 유입하고, 반응기(90)의 상부로 반응 후 가스(G72)를 배출한다.

도 9d를 참조하면, 비교예 7은 반응기(90)의 외곽 측면으로 원료 가스(G81)를 유입하고, 냉각 재킷(50)을 이용하여 반응기(90)의 하부로 반응 후 가스(G82)를 배출한다.

이와 같이, 비교예 4, 5, 6, 7은 원료 가스 유입(가스 유입구) 부근에서는 한 방향으로 기체 흐름이 형성되는 듯 하지만, 반응 후 가스의 배출이 용이하지 않아 곳곳에서 난류를 형성한다. 난류는 실리콘 로드의 직경 편차를 증가시킬 수 있다.

일 실시예는 실리콘 로드(40)에서 상, 하부의 직경을 균일하게 하고 실리콘 로드(40)의 표면 온도를 균일하게 하여 폴리실리콘의 수율을 증대시킬 수 있다. 또한 일 실시예는 핫 스팟의 감소로 폴리실리콘의 품질을 향상시키며, 기체 유량 감소 및 소비 전력 감소로 전기 원단위를 하락시킬 수 있다(약 15~25%). 전기 원단위 하락은 폴리실리콘의 판매 단가를 낮출 수 있다.

도 10은 비교예의 반응기 내에서 핫 스팟이 형성되는 것을 도시한 상태도이다. 도 10을 참조하면, 비교예 1 내지 7 중 한 반응기를 폴리실리콘 제조 장치에 적용한 경우, 반응기(101) 내에 핫 스팟(HS1)이 형성된 상태를 도시한다.

도 11은 도 1의 반응기 내에서 핫 스팟이 형성되는 것을 도시한 상태도이다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따를 폴리실리콘 제조 장치에 사용되는 반응기(10)를 적용한 경우, 반응기(10) 내에 핫 스팟(HS2)이 형성된 상태를 도시한다.

도 10의 비교예와 도 11의 실시예를 비교해 보면, 원료 가스 유량, 전극단자에 공급되는 전력 및 원료 가스를 유입하는 가스 유입구의 직경이 동일한 조건일 경우, 비교예의 반응기(101) 내에서 보다 실시예의 반응기(10) 내에서, 기체 온도가 1,050K 이상인 영역이 현저히 줄어든다. 즉 비교예의 반응기(101) 내의 핫 스팟(HS1)에 비하여, 본 발명의 실시예의 반응기(10) 내에서 핫 스팟(HS2)이 현저히 감소한다.

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
14: 설치 구멍 15, 57: 제1, 제2플랜지
16: 볼트 17: 너트
20: 전극단자(electrical feedthroughs) 21: 베이스 플레이트
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: 냉각 재킷
51: 가스 통로 52: 냉각수 통로
53: 냉각수 유입구 54: 냉각수 배출구
55: 내부 배관 56: 외부 배관
60: 개스킷 80, 90, 101: 반응기
151, 571: 체결구 501: 오목 홈
LF: 층류 HS1, HS2: 핫 스팟

Claims

베이스 플레이트 위에 배치되어 반응 챔버를 형성하는 반응기;
상기 베이스 플레이트에 설치되어 상기 반응 챔버 내부로 연장되는 1쌍의 전극단자;
상기 반응 챔버 내에서 상기 전극단자에 설치되어 상단에서 로드 브릿지로 서로 연결되어, 가스 유입구로 유입되는 원료 가스의 화학기상증착으로 실리콘 로드가 형성되는 로드 필라멘트; 및
상기 반응기의 상측에 구비되는 관통구로 삽입되어 상기 베이스 플레이트에 지지되며, 상기 반응 후 가스를 배출하는 가스 통로를 형성하여 상기 베이스 플레이트에 형성되는 가스 배출구에 연결되고, 상기 가스 통로의 외측에 냉각수 통로를 형성하여 상기 반응기의 외부로부터 저온의 냉각수를 상기 냉각수 통로로 유입 및 순환시켜 상기 반응기의 외측으로 고온의 냉각수를 배출하는 냉각 재킷을 포함하며,
상기 냉각 재킷은
상기 반응 챔버의 중심에 설치되고,
상기 가스 통로는
반응 종료 지점에 대응하는 상기 반응기 내부의 상측으로부터 반응이 종료된 반응 후 가스를 흡입하여, 하측의 상기 가스 배출구로 배출시키는 폴리실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 가스 배출구는 상기 베이스 플레이트의 중심에 형성되고,
상기 가스 유입구는 상기 가스 배출구에서 상기 베이스 플레이트의 직경 방향 외곽으로 이격된 위치에 배치되는 폴리실리콘 제조 장치.
제2항에 있어서,
상기 냉각 재킷은
상기 가스 통로를 상기 가스 배출구에 연결하는 폴리실리콘 제조 장치.
제3항에 있어서,
상기 냉각 재킷과 상기 베이스 플레이트 사이에 배치되는 개스킷을 더 포함하며,
상기 개스킷은
상기 가스 통로와 상기 가스 배출구를 연통시키고, 상기 연통을 상기 반응 챔버 내부와 차단하는 폴리실리콘 제조 장치.
제4항에 있어서,
상기 냉각 재킷의 하단은 오목 홈을 형성하고,
상기 개스킷은
일측으로 상기 오목 홈에 결합되고, 다른 일측으로 상기 베이스 플레이트에 지지되는 폴리실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각 재킷은
상기 반응기에 설치되고 상기 냉각수 통로에 연결되어 저온의 냉각수를 유입하는 냉각수 유입구,
상기 냉각수 통로에 연결되어 고온의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출구, 및
상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구를 상기 냉각수 통로에 연결하며, 서로 이격 배치되어 내측에 상기 가스 통로를 형성하고 외측에 상기 냉각수 통로를 형성하는 내부 배관과 외부 배관을 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
제6항에 있어서,
상기 반응기는 관통되는 설치 구멍의 외측에 제1플랜지를 구비하고,
상기 냉각 재킷은 상기 냉각수 유입구와 상기 냉각수 배출구에 고정되는 제2플랜지를 포함하며,
상기 냉각 재킷을 상기 반응기 내부에 삽입한 상태에서,
상기 제2플랜지는
상기 제1플랜지 상에서 상기 설치 구멍을 폐쇄하고 상기 제1플랜지에 체결부재로 체결되는 폴리실리콘 제조 장치.
제7항에 있어서,
상기 내부 배관과 상기 외부 배관은
상기 로드 필라멘트의 상단에 대응하여 상기 가스 통로의 개구를 형성하는 폴리실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각 재킷은
인콜로이(Incoloy 800H, Incoloy 800), 스테인레스 스틸(SS316L, SS316) 및 하스텔로이(Hastelloy) 중 하나로 형성되는 폴리실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 원료 가스는
트리클로로실란(trichlorosilane, TCS)를 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 원료 가스는
디클로로실란(dichlorosilane, DCS), 실리콘테트라클로라이드(silicon tetrachloride, STC) 및 수소 중 적어도 하나를 더 포함하는 폴리실리콘 제조 장치.