ＣＶＤ 반응기의 개선된 폴리실리콘 증착 document_id A220623108908

광전지산업에서 폴리실리콘의 이용이 빠르게 성장하고 있으며 2005년에는 그 수요가 마이크로 전자산업에 의한 폴리실리콘의 이용과 동일한 수준이다. 광전지산업의 급속한 성장은 마이크로 전자산업의 7 내지 10%와 비교되는 15 내지 30%(30 내지 45% 사이의 연간성장률을 갖는다) 사이로 기대되며, 이것은 광전지산업에 있어서의 폴리실리콘의 보다 많은 수요에 기인한 것이다. 상기 실리콘 웨이퍼비용은 광전지(이하, 'PV'라 함) 모듈비용의 약 25 내지 33% 를 형성하고 이것은 광전지산업에서 실리콘 반도체장치비용의 5% 보다 작은 것이다. 그러므로 PV 산업에서 폴리실리콘의 차지하는 비용 감소는 당연한 것이다. 상기 PV 산업은 작은 결점과 약간의 불순물을 갖는 폴리실리콘을 이용하고 있는 것으로 알려져 있다. 폴리실리콘 생산의 종래 알려진 방법 중의 하나는 CVD 반응기에서 폴리실리콘 증착에 의한 것이고, 지멘스(Simens) 방법으로 알려져 있다. 종래기술을 도시한 도1에 의하면, CVD 반응기는 베이스플레이트(23), 챔버벽, 또는 석영 벨형 단지(quartz bell jar,17)를 포함한다. 그리고 베이스플레이트(23)에서 가스입력부(20)와 가스출력부(21) 그리고 전기적 관통배관(19)이 결합된다. 상기 조망부(22)가 내부 감시 또는 온도 측정을 위해 제공된다. CVD 를 이용한 종래기술에 의한 폴리실리콘 제조에서, 고순도의 실리콘 슬림로드의 구조는 두개의 길고, 이격된, 수직 로드(1과 3) 상에 수평적으로 배치된 수평 로드(2)를 가짐으로써 헤어핀의 형태로 조립된다. 이와 같은 구조는 전기적 관통배관(19) 사이의 전류 경로를 제공하도록 설치되고 연결된다. CVD 공정동안에, 폴리실리콘 증착물이 실리콘 슬림로드에 균일하게 축적된다. 상기 증착물(41)은 실리콘 슬림로드의 구조를 볼 수 있도록 부분적으로 제거된다. 다른 사용자는 수직 로드에 수평 로드를 결합하기 위해 다른 방법을 이용한다. 한 가지 방법은 각 수직 로드의 상부에 키슬롯(key slot) 또는 그루브를 필요로 한다. 2개의 수직 로드를 브릿지하도록 그루브내로 가압되어 고정되도록, 작은 카운터 보어(counter bore) 또는 그와 같은 장치가 수평 로드의 단부에 형성된다. 이런 실리콘 슬림로드는 고순도 실리콘으로부터 제작되기 때문에, 실리콘 슬림로드의 대응하는 전기적 저항은 매우 높다. 그러므로, 공정의 초기 단계 동안, 전류를 이용하여 이런 실리콘 슬림로드를 가열하는 것은 매우 어렵다. 종종 실리콘 슬림로드는 전도성이 좋고 전류에 의해 가열하기 쉬운 금속 슬림로드로 치환된다. 이러한 방법은 로저스 하이츠(Rogers Heitz) 방식이라고 한다. 그러나, 금속 CVD법의 도입은 금속오염을 초래할 수 있다. 폴리실리콘 생산의 오염은 반도체/마이크로전자산업 분야에서 용납될 수 없는 것이다. 그러나, 광전지산업에서, 태양전지를 제작하기 위해 사용되는 웨이퍼는 일반적으로 주기율표 그룹 3의 원소, 예를 들면 브롬(B) 또는 그룹 5의 원소 예를 들면 인(P)으로, 전도성을 좋게 하기 위해 도핑된다. 순수 실리콘의 비저항은, 실온에서의 실리콘 슬림로드에 대해 106Ω.㎝로부터 1200℃에서 0.01Ω.㎝까지의 범위로, 온도에 대해 강한 기능이 된다. 그러나, 도핑실리콘은 다른 활성을 보인다. 도펀트(dopant)의 농도에 따라, 예를 들면 브롬의 농도에 따라, 비저항은 특정 시점까지 온도와 함께 증가하고, 다음에 진성(intrinsic)의 실리콘 슬림로드와 같이 된다. 실온에서, 1018atom/㎤로 브롬 도핑한 실리콘 슬림로드는 약 0.05Ω.㎝이다. 폴리실리콘이 광전지 분야에 이용될 때, 불순물, 특히 도펀트 이온에 대해서는, 어느 정도 허용된다. 지멘스형 공정을 처리하기 위한 종래기술에 의한 반응기는 복잡한 서브시스템의 구조를 포함한다. 외부 히터가 전기 저항율 또는 전류 흐름에 대한 임피던스의 감소를 위해 고순도의 실리콘 슬림로드의 온도를 약 400℃까지 상승시키는데 이용된다. 종종 외부가열은 할로겐 가열 또는 플라즈마 방전 가열의 형태로 적용된다. 일반적으로, 실리콘 슬림로드의 저항 가열을 위해 다중탭 전원공급장치가 요구된다. 상기 전원공급장치는 초반 가열 동안 매우 높은 전압 및 낮은 전류를 제공하며; 실리콘 슬림로드의 저항율이 더 높은 온도에 의해 감소되어질 때 후반에 상대적으로 낮은 전압에서 매우 높은 전류를 제공한다. 높은 전압 스위칭 장치가 전원레벨탭들 사이의 스위칭을 위해 필요로 된다. 실리콘 슬림로드를 통해 높은 전압에서 낮은 전류를 보내는 제1 공정은 실리콘 슬림로드의 온도가 약 800℃에 이르기까지 계속된다. 이런 온도에서, 고순도의 실리콘 슬림로드의 저항은 급격히 저하되고, 고전압원은 높은 전류를 공급할 수 있는 저전압원으로 스위치된다. 그러나, 약 800℃에서 실리콘 슬림로드에 의해 떨어진 전류는 폭주 특성(run away nature)을 띠기 때문에, 저전압원으로 높은 전압을 스위칭하는 것은 매우 세심한 주의가 필요하다. CVD 공정 동안에, 실리콘은 실리콘 슬림로드의 뜨거운 표면에 증착하고, 얻어진 실리콘 슬림로드의 직경은 점점 커진다. 일정한 가스공급의 조건 하에서, 반응기 압력, 성장하는 실리콘 슬림로드의 표면온도(예를 들면, 분해가스로 삼염화실란(Trichlorosilane)을 이용하는 동안 1100 ℃), 직경의 증가비율(또는 분당 마이크로미터의 증착율)은 다소 일정하다. 실리콘 슬림로드의 일반적인 초기 크기는 굴곡형 또는 사각형 단면의 약 7mm이다. 금속 와이어의 슬림로드 크기는 더 작다. 그러므로, 실리콘 슬림로드의 직경이 작을 때, 시간당 ㎏의 생산비는 초기 단계에서 매우 낮다. 종래 CVD 반응기의 한 종류에서, 고순도 실리콘은 SiHCl3 과 H2 의 반응에 의해 일반적으로 7mm 직경의 슬림로드 위에 증착된다. 일반적인 반응기에서, 슬림로드의 구조가 조립되는데, 이러한 배치는 슬림로드들 사이의 방사열 전달, 외측벽으로의 열손실, 및 슬림로드 상의 실리콘의 증착 속도에 기초한다. 더 빠른 증착 속도는 마이크로전자 산업분야에서 용납될 수 없는 폴리실리콘 제품에서의 결함을 초래할 수 있다. 그러나, 광전지산업분야에서는 이런 작은 결함의 처리를 연구하기 시작했다. 종래에는 슬림로드의 수를 단순화하거나 증착 속도를 증가시키기 위해서 현재 CVD 반응기의 향상을 도모하여 왔지만, 새로운 반응기가 종래의 반응기 디자인에서 상당히 벗어나 있기 때문에, 이러한 노력은 널리 허용되지 않았으며, 상용화 이전에 현재 CVD 반응기를 개조하거나 대체하고, 모든 다른 파라미터들을 최적화하기 위해서는 매우 비싼 비용과 시간이 소모될 것이다.