KR100783667B1 - 입자형 다결정 실리콘의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

입자형태의 다결정 실리콘을 제조함에 있어서, 본 발명은 반응기 셸 내부에 수직하게 설치되는 반응관 내부에서 유동가스를 공급하기 위한 유동가스공급부 위에 형성되는 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부의 유동가스 출구보다 높게 위치함으로써, 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측과 하측에 해당하는 상기 반응관의 내부영역이 반응영역과 가열영역으로 각각 구분되는 유동층 반응기를 이용하되; 상기 가열영역에서 상기 반응가스공급부와 상기 반응관 내벽면 사이에 설치되는 내부가열기의 전기저항가열에 의하여 상기 유동가스와 상기 실리콘 입자들을 가열하며; 상기 반응영역과 상기 가열영역 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 상기 유동가스를 공급함으로써 상기 반응영역에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 하며; 상기 반응가스공급부에 의하여 상기 반응가스를 공급하여 상기 반응영역에서 상기 실리콘 석출반응에 의해 크기가 증가된 실리콘 입자들을 제조하고; 상기 반응영역을 통과하는 유동가스, 미반응 반응가스, 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스를 가스배출부에 의하여 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하며; 상기 실리콘 입자들의 일부를 입자배출부에 의하여 실리콘 제품입자로서 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하는 조작을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법과 이에 필요한 유동층 반응기의 구성 방법을 제공한다.

이와 같은 본 발명은 유동층 반응기의 기계적 안정성을 훼손함이 없이 입자형태의 다결정 실리콘의 제조에 요구되는 열량을 충분히 공급하여 실리콘 석출 운전조건을 안정적으로 유지함으로써 유동층 반응기의 생산성을 최대한 증가시킬 수 있는 방법과 수단을 제공해 준다.

다결정 실리콘, 실리콘 석출, 유동층 반응기, 입자, 가열

Description

입자형 다결정 실리콘의 제조방법 및 제조장치{Method and Apparatus for Preparation of Granular Polysilicon}

도 1은 본 발명에 따른 입자형태의 다결정 실리콘 제조방법의 특징을 개략적으로 나타낸 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 입자형태의 다결정 실리콘 제조방법의 특징을 개략적으로 나타낸 다른 예시도,

도 3은 본 발명에 따라 입자형태의 다결정 실리콘 제조에 사용될 수 있는 유동층 반응기의 다양한 구성방법을 복합적으로 포함시켜 개략적으로 나타낸 예시도,

도 4는 본 발명에 따라 입자형태의 다결정 실리콘 제조에 사용될 수 있는 유동층 반응기의 다양한 구성방법을 복합적으로 포함시켜 개략적으로 나타낸 다른 예시도,

도 5는 본 발명에 따라 내부영역에 마이크로파를 추가로 공급하기 위한 다양한 구성방법을 복합적으로 포함시켜 개략적으로 나타낸 다른 예시도,

도 6은 본 발명에 따른 저항체의 단면이 원 또는 동심원인 경우에 해당하는 U-형의 내부가열기 단면의 기본적인 구성 방법을 개략적으로 나타낸 예시도,

도 7은 본 발명에 따른 복사관 형태의 내부가열기의 기본적인 구성 방법을 단면을 기준으로 개략적으로 나타낸 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 반응기 셸 2: 반응관

3: 실리콘 입자 3a: 실리콘 종입자

3b: 실리콘 제품입자 4: 내부영역

5: 외부영역 6: 단열재

7: 라이너 8a: 내부가열기

8b: 보조가열기 9: 전기연결부

10: 유동가스 11 반응가스

12: 불활성가스 13: 배출가스

14: 유동가스공급부 15: 반응가스공급부

16: 입자배출부 17: 가스배출부

18: 종입자공급부 19: 가스분산기

22: 충진물 24, 25: 내부영역 연결부

26: 불활성가스 연결부 28: 외부영역 연결부

34: 배출가스 처리부 35: 마이크로파 발생기

36: 도파관 37: 마이크로파

38: 저항체 39: 분리층

40: 보호관 41: 씰링재

42: 절연재 D: 실리콘 퇴적물

E: 전력공급원 Zh: 가열영역

Zr: 반응영역

본 발명은 유동층 반응기를 이용하여 입자형 다결정 실리콘(polycrystalline silicon 또는 multicrystalline silicon 또는 polysilicon 또는 poly-Si)을 제조하기 위한 방법과 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 입자들의 표면에 실리콘이 석출될 수 있게 실리콘 입자들을 높은 온도로 가열함에 있어서 수반되는 문제점들을 최소화하여 장기간 안정적으로 운전할 수 있는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법과 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 고순도 다결정 실리콘은 반도체 소자나 태양전지 등에 사용될 수 있는 반도체 성질을 갖는 소재나 높은 순도가 요구되는 화학원료 또는 산업용 소재로 널리 사용되고 있고, 정밀기능 소자 또는 소형 고집적 정밀시스템용 부품이나 소재로도 활용되고 있다.

이러한 다결정 실리콘을 제조하기 위하여 아주 높은 순도로 정제된 실리콘 원소 함유 반응가스의 열분해 및/또는 수소환원반응으로 실리콘 표면에 실리콘 원소를 계속적으로 석출시키는 실리콘 석출방법이 이용되고 있다.

상기와 같이 다양한 용도로 사용되는 다결정 실리콘의 상업적 대량 생산을 위하여 지금까지 종형(bell-jar type) 반응기가 주로 사용되어 왔으며, 이 반응기를 사용하여 제조된 다결정 실리콘 제품은 직경이 약 50 ~ 300 mm인 봉(棒; rod) 형상을 갖는다.

전기저항가열의 핵심인 종형 반응기를 이용한 다결정 실리콘의 제조방법은 실리콘 석출로 증가하는 봉의 직경에 한계가 있으므로 제품을 연속적으로 생산할 수 없는 기본적인 한계를 지니고 있다.

또한 종형 반응기를 이용한 다결정 실리콘 제조방법은 실리콘 석출에 필요한 실리콘 표면적이 제한적이기 때문에 석출반응의 효율이 나쁘고, 과다한 열 손실에 기인하여 제품의 단위무게당 전력소모량이 아주 크다는 단점을 가지고 있다.

상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 최근에는 크기가 약 0.5 ~ 3 mm 정도인 입자(粒子)형태로 다결정 실리콘을 생산할 수 있는 유동층 반응기를 이용한 실리콘 석출공정이 개발되었다.

이 방법에 따르면, 반응기 하부에서 상부방향으로 공급되는 가스에 의해 실리콘 입자들이 유동되는 유동층(fluidized bed)이 형성되고, 고온으로 가열되는 유동층에 도입된 실리콘 원소 함유 반응가스로부터 실리콘 원소가 석출됨에 따라 실리콘 입자들의 크기는 점차 증가하게 된다.

상기 종형 반응기와 같이 유동층 반응기에 사용되는 실리콘 원소 함유 반응가스로는 모노실란(SiH₄), 이염화실란(SiH₂Cl₂), 삼염화실란(SiHCl₃), 사염화실란(SiCl₄)과 같은 Si-H-Cl계 실란화합물이 단독 또는 서로 혼합되어 사용되는데, 이 반응가스에는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 등의 가스 중에 한 가지 또는 그 이상의 가스성분이 추가로 포함되는 것이 보통이다.

다결정 실리콘의 제조에 필요한 실리콘 석출을 위해서는 반응온도, 즉 실리콘 입자들의 온도가 높게 유지되어야 하며, 반응온도가 약 600 ~ 850 ℃ 정도인 모노실란과는 달리, 상업적으로 가장 많이 사용되고 있는 삼염화실란의 경우에 반응온도는 약 900 ~ 1,100 ℃ 정도로 매우 높다.

실리콘 원소 함유 반응가스의 열분해 및/또는 수소환원반응으로 실리콘이 석출되는 과정에는 다양한 요소반응들이 포함되고, 실리콘 원소가 입자형태로 성장되어 가는 경로도 반응가스의 종류에 따라 복잡하게 이루어진다.

요소반응의 종류와 입자성장의 경로가 어떠하든 유동층 반응기의 운전에 의하면 입자형태의 다결정 실리콘이 제품으로 생산될 수 있다.

이때, 크기가 작은 실리콘 종입자(種粒子; seed crystal)는 실리콘 원소의 지속적인 석출이나 실리콘 미립자의 결합으로 크기가 점차 증가함에 따라 유동성이 줄어들게 되어 유동층 하부로 점차 가라앉게 된다.

상기 종입자는 유동층 반응기 내부에서 직접 생성되도록 하거나 유동층 반응기 외부에서 제조한 다음 유동층 내부로 연속적으로, 주기적으로 또는 간헐적으로 공급할 수 있으며, 석출반응으로 크기가 증가된 실리콘 입자, 즉 다결정 실리콘 제품은 반응기 하부로부터 연속적으로, 주기적으로 또는 간헐적으로 빼낼 수 있다.

상기 유동층 반응기에서는 석출반응이 일어날 수 있는 실리콘 입자들의 표면적이 매우 넓기 때문에 같은 반응조건에서의 반응 수율이 종형 반응기의 경우보다 훨씬 더 높은 장점이 있다.

그리고, 제품이 입자형태이므로 막대형 제품과는 달리 단결정 성장, 결정블록이나 박판의 제조, 표면처리 및 개질, 반응 및 분리용 화학소재 제조, 실리콘 입자들의 성형 및 분쇄 등과 같은 후속공정에 곧바로 사용될 수 있다.

이러한 후속공정들은 그동안 회분식(batch 방식)으로 운전되었지만, 최근 입자형태 다결정 실리콘의 활용이 가능해짐에 따라 후속공정의 (반)연속화도 이루어질 수 있게 되었다.

이와 같이 유동층 반응기를 이용하여 입자형태의 다결정 실리콘을 연속적 또는 반연속적으로 생산함에 있어서 가장 어려운 점의 하나는 석출반응에 필요한 온도가 유지될 수 있게 실리콘 입자들을 가열하는 것이다.

유동층 반응기 내부의 실리콘 입자들을 불순물의 오염이 최대한 배제된 상태에서 반응온도가 유지될 수 있게 고온으로 가열함에 있어서 다음과 같이 여러 가지 제약이 뒤따른다.

먼저, 가장 큰 장애요인은 유동층 반응기에 공급되는 반응가스는 약 300 ℃ 이상의 온도에서 실리콘 석출반응을 일으키는 바, 가열수단의 벽면에 실리콘이 석출되면서 실리콘 퇴적물이 누적되므로, 반응가스가 유동층 반응기 내부로 공급되기 전에 제대로 예열될 수가 없다는 점이다.

그리고. 고온으로 가열된 실리콘 입자들의 표면에서뿐만 아니라 상기 실리콘 입자들과 끊임없이 접촉할 수밖에 없는 반응기 구성요소 표면에서도 반응가스에 의한 실리콘 석출이 발생하므로, 실리콘 퇴적물이 시간이 지남에 따라 누적되는 바, 이에 반응기 벽면을 가열하는 재래식 가열방법으로는 실리콘 입자들을 가열하기 어렵고, 반응기를 장기간 안정적으로 운전하는 것이 불가능하다.

또한 불순물 오염을 최소화하면서 실리콘 입자들을 효과적으로 가열할 수 있는 이용 가능한 방법이 드물다.

이와 같은 제약요건들 극복하기 위하여 다양한 기술적 방안들이 제시되어오고 있는데, 주된 내용은 유동층 반응기의 내부공간을 실리콘 입자들 표면에 석출반응이 일어나는 반응영역과 실리콘 입자들을 가열하기 위한 가열영역으로 구분하여 반응영역을 직접 가열하는 대신 가열영역의 가열을 통해 반응영역을 간접적으로 가열하는 것이다.

유동층 반응기 내부를 가열영역과 반응영역으로 구분하는 한 가지 방법으로, 실리콘 입자들 층 내부에 튜브형의 분리수단을 설치하여, 단면을 기준으로 외부의 가열기로부터 가열되는 반응기 벽면 쪽의 동심원 부분을 가열영역으로 하고, 분리수단의 내부공간을 반응영역으로 하여 실리콘 석출반응이 진행되게 한다.

이 방법에 따르면, 일본공개특허 제1984-045917호와 미국특허 제4,416,914호(1983), 제4,992,245호(1991) 및 제5,165,908호(1992) 등에 설명된 바와 같이, 실리콘 입자들이 가열영역에서는 상부에서 하부로 이동한 다음, 반응영역에서는 상부로 흐르는 반응가스에 의하여 하부에서 상부로 이동하면서 지속적으로 순환하게 되는 재순환 유동층이 형성된다.

이 방법에 따르면, 반응영역과 가열영역을 동심원 형태로 구분하는 분리수단의 직경이 가열영역의 외부직경보다 작아 반응영역에 노출되는 분리수단 내벽면에 실리콘 석출이 심하게 발생 및 누적되어 반응기의 장시간 운전이 어렵고, 원주방향을 따라 실리콘 입자들의 순환이 균일하지 못하여 대량생산에 활용하기 어렵다.

유동층 반응기 내부를 가열영역과 반응영역으로 구분하는 또 다른 방법으로 반응가스공급부의 출구를 실리콘 입자들 층 내부공간에 위치시키고 상기 출구의 상부와 하부를 반응영역과 가열영역으로 각각 구분하며 가열영역의 실리콘 입자들을 가열하여 반응영역에서의 반응온도를 유지하는 방법이 있다.

이 방법에 따르면, 반응기의 하부에서 상부방향으로 수소 등과 같이 실리콘 석출반응이 일어나지 않는 조성의 유동가스를 공급하여 가열영역의 실리콘 입자들의 일부 또는 전부가 유동되게 하고, 반응영역에서는 유동가스에 추가되는 반응가스에 의해 실리콘 입자들이 유동되게 함으로써, 실리콘 입자들이 두 영역 사이에서 서로 혼합되면서 가열영역으로부터 반응영역으로 열전달이 계속 일어날 수 있게 하는 유동층의 특성에 기초하고 있다.

이와 관련하여 미국특허 제5,374,413호(1994), 제5,382,412호(1995), 제6,007,869호(1999), 제6,541,377호(2003) 및 제7,029,632호(2006)와 일본공개특허 제2001-146412호에서는 실리콘 입자들 층을 이루는 공간을 반응영역과 가열영역으로 구분하고, 가열영역을 전기저항가열기 또는 마이크로파가열수단 등의 재래식 가열방법을 이용함으로써, 반응영역 내부의 반응온도를 효과적으로 유지하는 방법을 설명하고 있다.

그러나, 유동층 반응기의 생산성, 즉 반응관 직경이 증가할수록 반응관 외부에서 열 또는 전자기파 등의 에너지를 공급하여 실리콘 입자들의 층을 필요한 반응 온도로 유지하기가 점차 힘들어지기 때문에, 대규모 유동층 반응기를 이용하여 다결정 실리콘을 생산하고자 하는 경우에 보다 높은 가열속도로 가열영역을 가열할 수 있는 방법이 요구된다.

또한 가열영역에 흐르는 많은 유속의 유동가스의 가열에 많은 열량이 소모되어 실리콘 입자들의 가열도 비효율적이다.

이와 관련하여 미국특허 제6,827,786호(2004)에서는 실리콘 입자들 층의 상부와 하부를 반응영역과 가열영역으로 구분하고, 가열기로 가열되는 가열관이 실리콘 입자들 층 내부에 설치된 가열영역에 유동가스를 적은 양 공급하여, 가열영역에 실리콘 입자들의 유동이 생성되지 않게 하고, 유동가스만 반응온도 이상 가열되게 하면서, 가스 흐름에 주기적인 펄스가 생길 수 있게 하는 펄스생성수단을 이용해 실리콘 입자들이 가열영역과 반응영역 사이에서 주기적으로 서로 섞이게 하여, 석출반응온도를 유지시키는 유동층 반응시스템을 설명하고 있다.

가열영역에서 실리콘 입자의 유동에 필요한 유동가스가 소비하는 열량을 줄이기 위해 제시된 미국특허 제6,827,786호에서 제시된 방법에 따라, 펄스생성수단으로 실리콘 입자들 층에 가스를 이용하여 주기적으로 펄스모드의 물리적 충격을 가하면, 온도차이를 갖는 가열영역과 반응영역의 일부 실리콘 입자들이 강제로 혼합될 수는 있지만, 이 방법으로 반응관 직경이 큰 대규모 반응기에서의 영역간 온도차이를 줄이면서 입자 혼합을 균일하게 진행시키기는 어렵다.

화학공정용 장치에 일반적으로 활용되어오고 있는 재료와는 달리, 아주 높은 순도가 요구되는 다결정 실리콘 제조에 사용되는 유동층 반응기의 구성요소, 특히 실리콘 입자들과 접촉함에 따라 불순물 오염이 최대한 배제되어야 하는 반응관의 재료 선택에는 많은 제약이 뒤따른다.

다결정 실리콘 제조용 유동층 반응기의 핵심요소로서, 높은 온도에서 유동하는 실리콘 입자들과 끊임없이 접촉해야 하며 불순물 오염을 배제할 수 있는 고순도의 석영이나 실리콘으로 이루어진 반응관은 실리콘 입자들의 유동에 의한 불규칙한 진동과 심한 응력에 종속되므로 기계적 안정성이 가장 취약한데, 상기 미국특허 제6,827,786호에서 제시된 방법에 따라 펄스생성수단으로 실리콘 입자들 층에 주기적으로 물리적 충격을 가하는 것은 반응관의 안전성을 크게 훼손시킬 수 있어 유동층 반응기의 운전을 안전하게 지속하기 어렵게 하는 요인이 된다.

따라서, 선행기술들을 활용하는 데에 제기되는 어려움과 문제점을 극복할 수 있게 함으로써, 유동층 반응기의 기계적 안정성을 해치지 않고 실리콘 석출이 진행되는 반응영역에서의 반응온도가 안정적으로 유지될 수 있게 하는 가열영역의 구성과 이에 해당하는 운전방법의 확보는 입자형태의 다결정 실리콘의 대량생산을 위한 선결조건이다.

특히, 반응압력을 높여 유동층 반응기의 생산성을 크게 향상시키기 위해서도 필요한 열량공급이 반드시 전제되어야 하는 바, 유동층 반응기의 가열영역의 가열용량을 극대화하면서 가열영역에 공급되는 열이 반응영역에서 효과적으로 활용될 수 있게 유동층 반응기를 구성하고 운전하는 것이 중요하다.

따라서, 본 발명은 유동층 반응기의 기계적 안정성을 훼손함이 없이 입자형태의 다결정 실리콘의 제조에 요구되는 열량을 충분히 공급하여 실리콘 석출 운전조건을 안정적으로 유지함으로써 유동층 반응기의 생산성을 최대한 증가시킬 수 있는 방법과 수단을 제공하는 데에 주된 목적이 있다.

이러한 목적을 만족시키기 위해서, 본 발명자들은 입자형태의 다결정 실리콘 제조용 유동층 반응기의 구성과 운전은 다음 조건들을 동시에 만족시키는 것이 바람직하다는 실험적 결과를 바탕으로 본 발명에 이르게 되었다:

(1) 반응관 내부에 형성되는 실리콘 입자들의 층을 이루는 공간은 반응가스공급부에 의하여 반응영역과 가열영역으로 구분되어야 한다.

(2) 실리콘 석출이 일어나는 반응영역에서 필요한 열량은 가열영역의 실리콘 입자들 및 이 영역을 통과하는 유동가스를 가열영역 내부공간에 설치된 내부가열기에 의하여 가열함으로써 실리콘 석출이 일어나는 반응영역에서 필요한 열량을 공급한다.

(3) 가열영역에 공급된 열량이 반응영역에 지속적으로 빨리 전달되기 위해서, 반응영역과 가열영역 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있도록 한다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 반응기 셸 내부에 수직하게 설치되는 반응관 내부에서 유동가스를 공급하기 위한 유동가스공급부 위에 형성되는 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부의 유동가스 출구보다 높게 위치함으로써, 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측과 하측에 해당하는 상기 반응관의 내부영역이 반응영역과 가열영역으로 각각 구분되는 유동층 반응기를 이용하되; 상기 가열영역에서 상기 반응가스공급부와 상기 반응관 내벽면 사이에 설치되는 내부가열기의 전기저항가열에 의하여 상기 유동가스와 상기 실리콘 입자들을 가열하며; 상기 반응영역과 상기 가열영역 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 상기 유동가스를 공급함으로써 상기 반응영역에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 하며; 상기 반응가스공급부에 의하여 상기 반응가스를 공급하여 상기 반응영역에서 상기 실리콘 석출반응에 의해 크기가 증가된 실리콘 입자들을 제조하고; 상기 반응영역을 통과하는 유동가스, 미반응 반응가스, 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스를 가스배출부에 의하여 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하며; 상기 실리콘 입자들의 일부를 입자배출부에 의하여 실리콘 제품입자로서 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하는 조작을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 다결정 실리콘 제조방법을 제공한다.

선택적으로, 상기 가열영역의 공간 중에서 상기 반응관 내벽면, 상기 유동가스공급부, 상기 반응가스공급부 및 상기 내부가열기 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 상기 유동가스의 흐름에 의하여 유동되지 않는 충진물로 충진층을 형성시켜 상기 유동가스가 상기 충진층을 통과하면서 가열되도록 할 수 있다.

선택적으로, 상기 실리콘 제품입자가 상기 충진물 사이에 이루어지는 공간에 체류하거나 이동한 다음 상기 입자배출부를 통해 상기 유동층 반응기 외부로 배출되도록 할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 반응온도 범위가 600 ~ 1,200 ℃ 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 내부가열기가 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어지고, 상기 가열기 단위는 전기저항가열이 발생하는 저항체를 포함하고, 상기 저항체에 의하여 상기 실리콘 입자들이 오염되는 것을 방지하거나 최소화하기 위하여 상기 저항체를 보호관 내부에 설치하거나, 상기 저항체의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층을 형성시키거나, 또는 상기의 분리층이 형성된 상기 저항체의 외부에 상기 보호관을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 유동가스는 수소(H₂), 질소(N₂), 알곤(Ar), 헬륨(He), 사염화실란(SiCl₄), 삼염화실란(SiHCl₃), 이염화실란(SiH₂Cl₂), 염화수소(HCl) 가운데에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 반응가스는 실리콘원소를 함유하는 성분으로서 모노실란(SiH₄), 이염화실란, 삼염화실란, 사염화실란 가운데서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 반응가스는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨, 염화수소 가운데서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 추가로 포함할 수 있다.

선택적으로, 상기 유동층 반응기 외부에서 제조된 실리콘 종입자(seed crystal)를 종입자공급부에 의하여 상기 반응관 내부로 공급할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 단위시간당 상기 가열영역에 공급되는 상기 유동가스의 공급속도는 상기 반응가스를 공급하지 않는 상태에서 상기 반응영역에서의 실리콘 입자들이 상기 반응온도 범위 내에서 유동상태가 시작되는 최소유동화상태에 해당하는 공급속도의 1.0~5.0배 범위 내에 포함되게 하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 반응가스공급부는 상기 가열영역에 해당하는 공간에서 반응가스 공급용 반응가스노즐과 상기 반응가스노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 동측 다중관의 형태를 지니게 구성하여 상기 반응가스노즐을 보호하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 동축 다중관의 동심원 부분에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 불활성가스가 흐르게 하여 상기 반응가스노즐 내벽면에서 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 동축 다중관의 동심원 부분에 흐르는 상기 불활성가스에 연속적으로, 간헐적으로 또는 주기적으로 염화수소를 추가시켜 상기 반응가스노즐 출구부분에 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하거나 이미 생성된 실리콘 퇴적물을 제거하는 것이 가능하다.

바람직한 실시예로서, 상기 유동층 반응기가 상기 반응관을 반응기 셸이 에 워싸는 구조가 되도록 상기 반응관을 상기 반응기 셸 내부에 수직으로 배치하여, 상기 반응관의 내부공간이 상기 실리콘 입자들의 층이 존재하고 상기 가열영역과 상기 반응영역을 포함하는 내부영역으로 정해지는 동시에 상기 반응관과 상기 반응기 셸 사이의 공간이 상기 실리콘 입자들의 층이 형성되지 않고 상기 석출반응이 일어나지 않는 외부영역으로 정해지는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 외부영역에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 불활성가스가 흐르게 하여 상기 외부영역이 불활성가스 분위기로 유지되도록 한다.

바람직한 실시예로, 상기 외부영역에서의 압력과 상기 내부영역에서의 압력의 차이를 1 bar 이하로 유지한다.

선택적으로, 상기 외부영역에서의 압력(Po) 또는 상기 내부영역에서의 압력(Pi)이 1 ~ 20 bar 범위 내에서 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 내부가열기에 추가하여 상기 외부영역에 설치되는 보조가열기를 이용하여 상기 내부영역을 가열하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 보조가열기의 가열용량이 상기 내부가열기의 가열용량의 10~100% 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 내부가열기에 추가하여 상기 내부영역에 공급되는 마이크로파를 이용하여 상기 내부영역을 가열하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 입자형태의 다결정 실리콘 제조용 유동층 반응기는 반응관과; 상기 반응관을 에워싸는 반응기 셸과; 상기 반응관 내부에 형 성되는 실리콘 입자들 층의 하부에서 유동가스를 공급하기 위한 유동가스공급부와; 상기 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부와; 상기 반응가스공급부의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부보다 높게 위치되도록 함으로써, 상기 반응관의 내부영역이 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측 및 하측으로 각각 구분되어 이루어지는 반응영역 및 가열영역과; 상기 가열영역에서 상기 반응가스공급부와 상기 반응관 내벽면 사이에 설치되어 전기저항가열에 의하여 상기 유동가스와 상기 실리콘 입자들을 가열하는 내부가열기와; 상기 반응영역을 통과하는 유동가스, 미반응 반응가스, 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스를 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하는 가스배출부와; 상기 반응관 내부에서 상기 실리콘 석출반응으로 제조된 실리콘 입자들의 일부를 실리콘 제품입자로서 상기 유동층 반응기 외부로 배출하기 위한 입자배출부를 포함하여 구성한다.

선택적으로, 상기 가열영역의 공간 중에서 상기 반응관 내벽면, 상기 유동가스공급부, 상기 반응가스공급부 및 상기 내부가열기 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 상기 유동가스의 흐름에 의하여 유동되지 않는 충진물로 구성되는 충진층을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 반응기 셸 내부공간에서 상기 반응관을 통해 각각 구획되어지되, 실리콘 입자들 층이 형성되고 실리콘 석출반응이 일어나는 내부영역과 상기 실리콘 입자 층이 형성되지 않고 실리콘 석출반응이 일어나지 않는 외부영역을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 반응기 셸은 그 재질을 구성하는 성분이 탄소강과 스테인리스강 가운데에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 반응관은 그 재질을 구성하는 성분이 석영(quartz), 실리카(silica), 질화규소(silicon nitride), 질화보론(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 흑연(graphite), 유리질 탄소(glassy carbon) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상을 포함하는 것임을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 반응관은 그 두께방향으로 상기 반응관의 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 충진물은 평균 직경이 5 mm ~ 50 mm 범위 내에 포함되는 구(sphere), 비드(bead), 볼(ball), 과립(granule), 조각(fragment), 덩어리(lump), 타원체(spheroid), 다면체(polyhedron), 자갈(pebble), 펠릿(pellet), 링(ring) 또는 너겟(nugget) 의 형태를 지니는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 내부가열기는 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 다수의 가열기 단위는 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 가열기 단위는 상기 반응기 셸과 결합되어 설치되는 전기연결부를 통해 전력공급원과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 전기연결부는 상기 반응기 셸 내부 및/또는 외부에 설치되는 전극부를 포함하고 상기 전극부에 의하여 상기 가열기 단위가 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 전극부는 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 카드뮴(Cd) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금으로 제작되거나, 표면이 탄화규소로 처리된 흑연으로 제작되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 내부가열기에 추가하여 상기 외부영역에 보조가열기를 설치하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 내부가열기에 추가하여 상기 내부영역에 마이크로파를 공급하여 상기 내부영역을 가열할 수 있게 전기에너지를 마이크로파로 변환시키는 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전달하는 도파관이나 또는 상기 마이크로파 발생기를 상기 반응기 셸과 결합하여 설치하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 유동가스공급부는 상기 가열영역의 하부에서 유동가스를 분산하여 공급할 수 있게 다수의 구멍이 뚫린 평판, 디스크 또는 원추형판의 형태를 지니는 가스분산판 또는 가스분산용 성형물을 포함하거나 그리고/또는 다수의 유동가스공급노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 반응가스공급부는 상기 가열영역에 해당하는 공간에서 반응가스 공급용 반응가스노즐과 상기 반응가스노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 동측 다중관의 형태를 지니게 구성되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 입자배출부가 상기 동축 다중관을 이루면서 구성되거나 그 리고/또는 상기 동축 다중관과는 별도로 구성되는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 유동가스공급부, 반응가스공급부, 상기 입자배출부 그리고/또는 상기 충진물은 그 재질을 구성하는 성분이 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 중에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 유동가스공급부, 반응가스공급부, 상기 입자배출부 그리고/또는 상기 충진물은 그 두께방향으로 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어질 수 있다.

선택적으로, 상기 외부영역을 불활성가스 분위기로 유지할 수 있게 하기 위한 불활성가스 연결부와; 상기 내부영역 및 외부영역에서의 압력을 각각 측정 및/또는 조절하기 위한 압력제어수단과; 상기 외부영역에서의 압력(Po)과 상기 내부영역에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar < ｜Po - Pi｜≤ 1 bar 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 압력차조절수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 외부영역에 단열재가 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 가열기 단위에 포함되어 전기저항가열이 발생하는 저항체는 두께방향의 단면이 원, 타원 또는 다각형인 로드(rod), 와이어(wire), 필라멘트(filament), 바(bar), 스트립(strip) 및 리본(ribbon)과, 단면이 동심원, 동심타원 또는 동심다각형인 도관(conduit), 튜브(tube), 실린더(cylinder) 및 덕트(duct) 중에 선택된 형태를 지니며 길이방향에 따라 상기 단면의 형태 그리고/또는 크기 가 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 형태를 지니는 것임을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 흑연, 탄화규소 또는 실리콘 가운데에서 선택된 하나 또는 두 가지를 포함하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금인 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 몰리브덴규소화물(Mo-Si), 란탄늄크롬화물(La-Cr-O) 및 지르코니아 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함하는 세라믹 금속인 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 저항체가 실리콘 입자들과 직접 접촉하지 못하게 상기 저항체 외부에 보호관을 설치하거나; 상기 저항체의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층을 형성시키거나; 또는 상기의 분리층이 형성된 상기 저항체의 외부에 상기 보호관을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성할 수 있다.

선택적으로, 상기 보호관의 두께방향 단면이 동심원, 동심타원 또는 동심다각형의 형태를 지니는 것임을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 분리층 및/또는 상기 보호관이 분리기능성분으로 이루어진 1가지 이상 5가지 이하 종류의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 분리기능성분이 상기 저항체로부터 상기 실리콘 입자들 및/또는 상기 유동가스에 불순물이 확산되는 것을 방지하는 성분을 포함한다.

바람직한 실시예로서, 상기 분리기능성분이 전기절연성분을 포함한다. 선택적으로, 상기 분리기능성분이 실리콘(Si) 또는 붕소(B) 의 질화물, 산화물, 탄화물 또는 산화질화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 분리기능성분이 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 금속원소의 질화물, 산화물, 규소화물, 붕소화물, 탄화물, 산화질화물 또는 산화규소화물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 분리층 두께의 합을 1 ㎛ ~ 5 mm의 범위 내에 포함되도록 하거나 그리고/또는 상기 보호관의 두께를 1 mm ~ 20 mm의 범위 내에 포함되도록 하는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 상기 분리층이 실리콘을 분리기능성분으로 하는 실리콘층을 1 ㎛ ~ 5 mm 범위 내의 두께로 추가로 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참조로 본 발명의 내용과 실시 방법을 더욱 상 세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 입자형태의 다결정 실리콘 제조방법은, 도 1 또는 도 2에 개략적으로 예시된 바와 같이, 반응기 셸(1) 내부에 수직하게 설치되는 반응관(2) 내부에서 실리콘 입자들(3)이 존재할 수 있는 공간을 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh)으로 구분한다는 점에 기초하고 있다.

본 발명에 따른 유동층 반응기에 공급되는 가스에는 실리콘 입자들 층 하부에 설치되는 유동가스공급부(14)로부터 가열영역(Zh)을 거쳐 반응영역(Zr)으로 흐르는 유동가스(10)와, 반응가스공급부(15)로부터 반응가스 출구를 통해 반응영역(Zr)으로 공급되는 반응가스(11)가 기본적으로 포함된다.

그리고, 본 발명에 따른 유동층 반응기에서는 유동가스(10)를 공급하기 위한 유동가스공급부(14) 위에 형성되는 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스(11)를 공급하기 위해 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부(15)의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부(14)의 유동가스 출구보다 높게 위치되도록 함으로써, 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측과 하측에 해당하는 반응관(2)의 내부영역(4)이 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh)으로 각각 구분된다.

그런데, 반응가스공급부(15) 내부에서 반응가스(11)는 약 300 ~ 350 ℃ 범위 내에 포함되는 초기분해온도(incipient decomposition temperature)보다 높지 않아야 하므로, 반응영역(Zr)에 공급되는 반응가스(11)는 600 ~ 1,200 ℃ 범위 내에 포함되는 높은 반응온도보다 낮을 수밖에 없다.

본 발명에 따르면, 반응온도 유지를 위해 필요한 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)의 가열은 반응관(2) 내부에서 반응영역(Zr)과 공간상으로 연결되는 가열영역(Zh)에서 주로 이루어진다.

실리콘 석출용 유동층 반응기의 생산성은 반응조건들에 의해서 좌우되지만, 그 어떠한 조건에서도 반응영역(Zr)의 온도, 즉 반응영역(Zr)에서 유동하는 실리콘 입자들(3)의 온도가 원하는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있음이 전제되어야 한다.

따라서, 반응가스(11) 공급에 따른 냉각, 석출반응으로 소모되는 반응열, 반응관(2) 외부로의 열손실 등을 고려할 때, 실리콘 석출에 필요한 반응온도 유지를 위해서 많은 양의 열이 가열영역(Zh)에서 반응영역(Zr)으로 빠른 속도로 전달되는 것이 요구된다.

이와 같이 지속적인 가열을 필요로 하는 반응영역(Zr)에 가열기를 설치하여 필요한 열을 직접 공급하는 이상적인 방법은, 온도가 가장 높은 가열기와 반응가스(11)의 접촉으로 가열기 표면에 실리콘 석출이 과다하게 발생하므로 실제로 적용될 수 없는 방법이다.

따라서, 유동층 반응기에서 사전에 정해진 반응온도 및 압력과 반응에 관련되는 가스조성 하에서 단위시간당 반응가스 공급량을 증가시키면서 반응기 생산성을 증가시키는 것이 가능하기 위해서는 가열영역(Zh)에서의 단위시간당 가열량이 충족되기만 하면 된다.

본 발명에서는 가열영역(Zh)에서 반응가스공급부(15)와 반응관(2) 내벽면 사 이에 설치되는 내부가열기(8a)의 전기저항가열에 의하여 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)을 가열하는 것에 주안점을 둔다.

또한 본 발명은 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh) 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 유동가스(10)를 공급함으로써 가열영역(Zh) 내부에 공급된 열량을 반응영역(Zr)에 빠른 속도로 전달할 수 있게 하고, 상기 반응영역(Zr)에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 하는 특징을 가진다.

본 발명에 따라 가열영역(Zh)을 통해 반응영역(Zr)을 가열하면, 반응가스공급부(15)에 의하여 반응가스(11)를 공급하여 반응영역(Zr)에서 실리콘 석출반응에 의해 크기가 증가된 실리콘 입자들을 제조할 수 있게 된다.

반응영역(Zr)에 공급된 반응가스(11)의 대부분 또는 일부는 반응에 의해 반응생성물 가스로 전환되기도 하지만 미반응 반응가스 상태로 남을 수도 있다.

따라서, 반응영역(Zr)을 통과하는 배출가스는 가열영역(Zh)을 빠져나온 유동가스(10), 미반응 반응가스(11), 반응생성물 가스 등을 기본적으로 포함하며, 이 배출가스(13)를 내부영역(4)에 누적되지 않도록 가스배출부(17)를 통해 유동층 반응기 외부로 배출시키는 것이 필요하다.

이에, 배출가스(13)에 실려 나오는 실리콘 미립자 또는 고분자량의 반응부산물은 별도의 배출가스 처리부(34)에서 분리될 수 있도록 하는데, 상기 배출가스 처리부(34)는 사이클론, 필터, 충진탑, 스크라버, 원심분리기 등의 장치로 구성될 수 있으며, 도 2 또는 도 3에 각각 예시된 바와 같이 반응기 셸(1) 내부영역의 상부 공간(4c)에 설치되어도 좋고, 반응기 셸(1) 외부에 유동층 반응기와 별도로 설치되어도 무방하다.

이러한 배출가스 처리부(34)에서 분리된 실리콘 미립자는 다른 용도로도 활용할 수도 있고, 반응기 내부영역(4)으로 재순환시켜 실리콘 입자 제조를 위한 종입자(3a)로 사용하여도 좋다.

한편, 실리콘 석출반응이 진행되면서 실리콘 입자들(3)의 평균 크기 및 층 높이가 점차 증가하게 되므로, 실리콘 입자들 층을 허용 범위 내에서 일정하게 유지하면서 입자형태의 다결정 실리콘을 연속적으로 또는 반연속적으로 제조하기 위하여, 실리콘 입자들(3)의 일부를 입자배출부(16)에 의해 실리콘 제품입자(3b)로서 유동층 반응기의 외부로 배출하는 조작을 포함하는 것이 필요하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 입자형태의 다결정 실리콘을 제조하기 위한 방법을 제공하는 본 발명의 특징은, 반응기 셸(1) 내부에 수직하게 설치되는 반응관(2) 내부에서 유동가스(10)를 공급하기 위한 유동가스공급부(14) 위에 형성되는 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스(11)를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부(15)의 반응가스 출구가 유동가스공급부(14)의 유동가스 출구보다 높게 위치되도록 함으로써, 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측과 하측에 해당하는 반응관(2)의 내부영역(4)이 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh)으로 각각 구분되는 유동층 반응기를 이용하되; 가열영역(Zh)에서 반응가스공급부(15)과 반응관(2) 내벽면 사이에 설치되는 내부가열기(8a)의 전기저항가열에 의하여 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)을 가열하 고; 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh) 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 유동가스(10)를 공급함으로써 반응영역(Zr)에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 하며; 상기 반응가스공급부(15)에 의하여 반응가스(11)를 공급하여 반응영역(Zr)에서 실리콘 석출반응에 의해 크기가 증가된 실리콘 입자들을 제조하고; 반응영역(Zr)을 통과하는 유동가스(10), 미반응 반응가스(11), 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스(13)를 가스배출부(17)에 의하여 유동층 반응기의 외부로 배출하며; 실리콘 입자들(3)의 일부를 입자배출부(16)에 의하여 실리콘 제품입자(3b)로서 유동층 반응기의 외부로 배출하는 조작을 포함하는 것이다.

본 발명에 따른 가열영역(Zh)에서는 실리콘 입자들(3)과 상부로 흐르는 유동가스(10)가 내부가열기(8a)에 의해 가열되기 때문에 높이에 따라 온도가 증가하는 경향이 나타난다.

일반적으로 유동가스(10)는 유동층 반응기 외부에 별도로 설치되는 예열기를 이용하여 최대한 예열한 다음 유동가스공급부(14)으로 공급하거나 유동가스공급부(14)에 가스예열수단이 포함되어도 좋지만, 실온에서 가열영역(Zh)으로 공급하여 내부가열기(8a)에 의하여 가열하여도 좋으며, 불순물 오염과 열손실 문제 등을 고려하여 약 200 ~ 300 ℃ 이하 범위 내에서 사전에 예열한 다음 공급하여도 무방하다.

상기와 같은 예열 여부에 관계없이, 유동가스(10)가 가열영역(Zh)을 통과하면서 반응온도 또는 그 이상의 온도로 충분히 가열되는 것이 필요하기 때문에 유동 가스(10)의 유량이 많을수록 내부가열기(8a)에 가열부담은 증가한다.

본 발명에 따라 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh) 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 유동가스(10)를 공급함에 있어서 가열영역(Zh)의 상부에서의 유동가스 속도, 즉 u_h 값(cm/sec)이 실리콘 입자들의 평균 크기에 해당하는 최소유동화속도(u_mf)보다 높아야 한다.

이를 위해서 가열영역(Zh) 하부로 단위시간당 공급되는 유동가스(10)의 유량, 즉 공급속도에 해당하는 F 값(moles/sec)을 높게 설정할수록 가열영역(Zh)에서 반응영역(Zr)으로 보다 많은 열을 전달할 수 있다.

그러나, 내부가열기(8a)의 가열용량이 충분하지 못함에도 불구하고 F 값(moles/sec)이 너무 커지면, 실리콘 입자들의 가열에 추가하여 유동가스(10)를 반응온도 또는 그 이상의 온도로 가열하기 어려워진다.

비록 내부가열기(8a)의 가열용량이 충분하여 유동가스(10)의 가열에 문제가 없어도, 반응가스(11)와 너무 많은 양의 유동가스(10)가 합쳐져 반응영역(Zr)에서 실리콘 입자들의 유동정도(degree of fluidization)가 불필요하게 높아 슬러깅(slugging) 같은 현상이 발생하면 실리콘 석출반응 측면에서 오히려 바람직하지 못하다.

한편, 적은 F 값으로 가열영역(Zh)의 상부에서 필요한 u_h 값을 얻기 위해서 가열영역(Zh)을 에워싸는 반응관(2) 내부 직경을 작게 하면 내부가열기(8a), 반응가스공급부(15), 입자배출부(16) 등과 같이 본 발명에 따라 필요한 수단들을 설치 할 수 있는 공간이 충분하지 못해 문제가 될 수 있다.

또한 F 값이 적어지면 가열영역(Zh)에서, 특히 온도가 상대적으로 낮은 하부 쪽 공간에서 실리콘 입자들이 제대로 유동하지 못하고, 내부가열기(8a)에 의한 유동가스(10) 및 실리콘 입자들(3)의 가열도 어려워지며, 유동가스(10)의 흐름도 불균일하게 되는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하면서 F 값을 가급적 줄이고자 하는 경우, 가열영역(Zh) 내부공간에서 유동가스(10)가 흐를 수 있는 공간을 줄이면서 가열영역(Zh) 내부에 공급된 열량을 반응영역(Zr)에 빨리 전달하는 방법이 필요하다.

본 발명에 따르면, 도 2에 개략적으로 예시된 바와 같이, 가열영역(Zh)의 공간 중에서 반응관(2) 내벽면, 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15) 및 내부가열기(8a) 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 유동가스(10)의 흐름에 의하여 유동되지 않는 충진물(22)로 충진층을 형성시켜 유동가스(10)가 충진층을 통과하면서 가열되도록 할 수 있다.

이와 같이 가열영역(Zh)에 충진물(22)로 충진층을 형성시키면, 상기 충진층이 유동가스(10)로 하여금 골고루 분산되면서 흐르도록 할 수 있고, 충진물(22) 사이에 형성되는 공간에서 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)가 상호 접촉하는 기회를 증가시킬 수 있다.

또한 충진물(22)에 의해 내부가열기(8a)의 표면적이 확장되어 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)가 보다 효과적으로 가열될 수 있으며, 고온의 가열영역(Zh)으로부터 온도가 낮은 반응기 셸(1) 하부로 전달되는 열을 최소화시키는 등의 효과 를 얻을 수 있다.

한편, 도 2에 개략적으로 예시된 바와 같이, 실리콘 석출 운전 도중에 가열영역(Zh)으로부터 실리콘 입자들을 간헐적으로, 주기적으로 또는 연속적으로 필요한 양만큼 실리콘 제품입자(3b)로서 빼내고자 하는 경우, 실리콘 제품입자(3b)가 충진물(22) 사이에 이루어지는 공간에 체류하거나 이동한 다음 입자배출부(16)를 통해 유동층 반응기 외부로 배출되도록 할 수도 있다.

이 방법은 실리콘 제품입자(3b)가 충진물(22) 사이에 이루어지는 공간에 체류하거나 입자배출부(16) 방향으로 이동하면서 가열영역(Zh) 하부의 유동가스공급부(14)에 의해 상대적으로 낮은 온도로 공급되는 유동가스(10)에 의하여 냉각될 수 있는 기회를 크게 증가시켜, 배출되는 실리콘 제품입자(3b)를 추가로 냉각시키는 데에 부가되는 부담을 경감시켜준다.

실리콘 입자들이 유동상태로 유지되는 반응영역(Zr)에서의 온도는 특정 값으로 정하는 것이 불가능하지만, 허용 가능한 온도 범위를 사전에 설정하는 것은 필요하다.

본 발명에 따르는 내부가열기(8a)는 반응영역(Zr)에서의 반응온도 범위가 600 ~ 1,200 ℃ 범위 내에서 유지될 수 있게 실리콘 입자들(3)과 상부로 흐르는 유동가스(10)를 가열영역(Zh)에서 가열해 줄 수 있는 능력을 지녀야 한다.

보다 자세한 반응온도 허용범위는 실리콘 석출공정에서 유지하고자 하는 압력 및 온도에 따른 실리콘 석출반응 특성, 유동가스(10) 및 반응가스(11)의 성분, 조성, 공급속도 및 예열온도와, 반응온도 측정 기준 등에 따라 실험을 통해 사전에 쉽게 정해질 수 있다.

반응온도의 측정은 여러 가지 방법 가운데에서 선택할 수 있는데, 반응영역(Zr) 내부 또는 해당 반응관(2) 외벽면이나 반응기 상부에서 열전대(thermocouple) 또는 파이로미터(pyrometer) 등과 같은 측정기로 직접 측정하거나, 배출가스(13)의 조성을 분석하여 간접적으로 추정하는 등의 방법이 이용 가능하다.

반응영역(Zr)에서 사전에 정해진 반응온도 범위를 유지하기 위해서는, 가열영역(Zh)에서 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)을 보다 높은 온도로 가열하는 것이 바람직하다.

가열영역(Zh)에서의 전기가열을 위해서 내부가열기(8a)는 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어질 수 있으며, 각각의 가열기 단위는 전기저항가열이 발생하는 저항체(resistive element)를 포함한다.

도 1, 도 2 및 도 5는 내부가열기(8a)가 두 세트의 가열기 단위로 이루어지는 것을 각각 예시하고 있는데, 가열영역(Zh) 공간이 허용된다면 보다 많은 개수의 가열기 단위를 설치하여 가열용량을 증가시킬 수 있다.

높은 순도가 요구되는 다결정 실리콘의 제조를 위해 본 발명에 따라 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 가열기 단위는 높은 온도에서 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)와 접촉할 수밖에 없으므로 저항체(38)에 의한 불순물 오염이 최소화되도록 하는 것이 중요하다.

본 발명에 따르면, 가열기 단위를 이루는 저항체(38)에 의하여 실리콘 입자 들(3)이 오염되는 것을 방지하거나 최소화하기 위하여 저항체(38)를 보호관(40) 내부에 설치하거나, 저항체(38)의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층(39)을 형성시키거나, 또는 상기의 분리층(39)이 형성된 저항체(38)의 외부에 보호관(40)을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되는 내부가열기(8a)로 가열되는 가열영역(Zh)에서는 상부 쪽의 온도가 유동가스공급부(14)의 유동가스 출구 쪽보다 높기 때문에, 본 발명에 따라 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh) 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 유동가스(10)를 공급함에도 불구하고 가열영역(Zh) 하부 쪽에서는 실리콘 입자들의 유동이 발생하지 않을 수도 있다.

본 발명에 있어서, 실리콘 입자들(3)의 유동이라 함은 가스의 흐름, 가스 기포나 버블의 이동이나 변화, 그리고/또는 주변 입자들의 움직임에 의하여 실리콘 입자들의 공간적 위치가 짧은 시간에 따라 변화할 수 있음을 대변한다.

본 발명에서 사용되는 유동가스(10)로는 실리콘 입자들과 반응을 일으키지 않는 비반응성 가스, 즉 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에 선택된 것을 사용하는 것이 일반적이다.

또한 유동가스(10)는 상기 비반응성 가스성분들보다 밀도와 점도가 높은 가스성분으로서 다결정 실리콘 제조공정에서 제조되거나 부산물에 포함될 수 있는 Si-H-Cl계 화합물, 즉 사염화실란(SiCl₄), 삼염화실란(SiHCl₃), 이염화실란(SiH₂Cl₂), 염화수소(HCl) 등과 같은 염소화합물 성분을 추가로 포함하여도 무방 하다.

염소화합물 성분을 상기 비반응성 가스에 추가하여 유동가스(10)를 구성하는 경우, 가열영역(Zh)에서 형성될 수 있는 온도 범위에서 고순도의 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10) 사이에 실리콘 석출반응 또는 실리콘 에칭반응이 두드러질 정도로 발생하지 않게 열역학적 평형 해석이나 간단한 예비실험을 통하여 염소화합물 성분의 허용 농도범위를 설정하는 것이 필요하다.

따라서, 본 발명에서 사용되는 유동가스(10)는 수소, 질소, 알곤, 헬륨, 사염화실란, 삼염화실란, 이염화실란, 염화수소 가운데에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 포함할 수 있다.

반응영역(Zr) 내부로 공급되는 반응가스(11)는 실리콘 석출반응을 통해 입자형태의 다결정 실리콘을 제조함에 있어서 제품입자를 이루는 실리콘 원소의 공급원의 역할을 하므로 실리콘 원소를 함유하는 성분을 포함해야 한다.

본 발명에서 사용되는 반응가스(11)는 실리콘 원소를 함유하는 성분으로서 모노실란(SiH₄), 이염화실란(SiH₂Cl₂), 삼염화실란(SiHCl₃), 사염화실란(SiCl₄) 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 포함할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 반응가스(11)는 상기 실란화합물 등과 같은 실리콘 석출 소스 성분만으로 구성하여도 되지만, 수소, 질소, 아르곤, 헬륨, 염화수소(HCl) 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 가스성분을 추가로 포함할 수 있으며, 실리콘 석출 소스의 제공뿐만 아니라 유동가스(10)와 함께 반응영역(Zr)에서의 실리콘 입자 들(3)의 유동에도 기여하게 된다.

본 발명을 이용하여 입자형태의 다결정 실리콘을 연속적 또는 반연속적으로 제조하고자 할 때에는 실리콘 입자들 층을 이루는 실리콘 입자들(3)의 개수 및 평균 입경이 일정 범위 내에서 유지되도록 하는 것이 필요하므로 제품으로 배출되는 실리콘 제품입자(3b)의 개수에 대략적으로 상응하는 개수의 종입자(seed crystal)(3a)을 반응관(2) 내부의 영역, 즉 내부영역(4)으로 보충하는 것이 바람직하다.

앞에서 설명한 바와 같이 배출가스 처리부(34)에서 분리된 적정 크기의 실리콘 미립자 또는 분말이 종입자로 재활용된다 하여도 그 양이 제한적이고 크기도 너무 작으므로 실리콘 입자의 연속 생산을 위해서는 실리콘 종입자의 추가적인 준비 또는 제조가 불가피하다.

이와 관련하여, 제품입자(3b) 가운데 크기가 작은 실리콘 입자를 별도로 분리하여 종입자(3a)로 활용하는 것도 고려될 수 있지만, 유동층 반응기 외부에서 제품입자(3b)로부터 크기가 작은 종입자(3a)를 분리해내는 별도의 과정은 불순물 오염의 위험성이 높고 작업이 번거로운 단점이 있다.

이와 같은 별도의 제품입자(3b) 분리과정을 대신하여, 입자배출부(16)의 입자 배출 경로 도중에 추가적인 분급수단을 포함시켜, 상부방향으로 흐르는 가스를 이용해 제품입자(3b)의 냉각과 동시에 크기가 작은 실리콘 입자들이 실리콘 입자들 층 내부로 되돌아갈 수 있게 함으로써, 종입자 공급의 부담을 경감시키면서 제품입자(3b)의 평균 입경을 증대시키고, 동시에 입경분포를 줄이는 것도 가능하다.

실리콘 제품입자(3b)를 이용하여 종입자(3a)를 제조하는 방법으로는 입자배출부(16)를 거쳐 빠져나온 실리콘 제품입자(3b) 가운데 일부를 별도의 분쇄설비에서 종입자로 분쇄하여 얻는 것이 일반적이고, 이와 같이 유동층 반응기 외부에서 제조된 실리콘 종입자(3a)를 종입자공급부(18)에 의하여 상기 반응관 내부로 공급할 수 있다.

도 2에 예시된 바와 같이 반응기 셸(1b)에 결합되어 설치된 종입자공급부(18)에 의하면 종입자(3a)를 반응기 내부영역(4)으로 연속적으로, 주기적으로 또는 간헐적으로 필요한 시점에 투입될 수 있는데, 이 방법은 종입자(3a)의 크기 및 공급량을 필요한 대로 제어할 수 있는 장점이 있지만 별도의 분쇄설비를 필요로 하는 단점도 있다.

이와는 달리, 반응기 셸(1)과 결합하여 설치되는 반응가스공급부(15)에 포함되는 반응가스 공급노즐, 유동가스공급부(14)에 포함되는 유동가스 공급노즐, 또는 이와는 별도로 설치된 입자분쇄용 가스노즐을 통해 고속의 가스가 실리콘 입자들 층 내부에 생성되게 하여 실리콘 입자들 층 내부에서 실리콘 입자를 종입자로 분쇄할 수도 있다.

이와 같이 종입자(3a)를 내부영역(4)에서 제조하는 방법은 온도가 높을수록 실리콘 입자가 보다 쉽게 분쇄될 수 있다는 특성을 이용하기 때문에 가스노즐 출구에서의 가스속도가 초음속보다 낮은 조건에서도 실리콘 입자들이 상호 충돌에 의해 잘 분쇄될 수 있다.

이 방법은 별도의 분쇄설비를 필요로 하지 않으면서 실리콘 입자들 층 내부 에서 불순물 오염 없이 종입자(3a)를 경제적으로 생성시킬 수 있는 장점을 지니지만, 종입자(3a)의 크기 및 생성량을 필요한 범위 이내로 제어하기 어렵고, 종입자(3a)로 사용되기 어려운 미세 분말이 많이 생성될 수 있는 위험성도 지닌다.

이상에서 설명한 바와 같이, 실리콘 종입자(3a)의 준비 및 공급방법은 제각각 장점과 단점을 지니고 있지만, 종입자(3a)의 평균크기는 제품입자(3b) 크기의 반 이하가 되도록 약 0.2 mm ~ 0.8 mm 범위 내에 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

종입자(3a)의 평균크기가 0.2 mm 보다 작으면 공급해야 할 종입자(3a)의 양이 적은 장점은 있지만 유동가스(10), 반응가스(11) 또는 배출가스(13)에 의해 쉽게 실려 나가버리기 쉽고, 평균크기가 0.8 mm 보다 크면 실리콘 제품입자(3b)에 비해 크기 차이가 적어 공급해야 할 종입자(3a)의 양이 너무 많아져 바람직하지 못하다.

본 발명에 따른 반응영역(Zr)에서 실리콘 종입자(3a)에 보다 빠른 속도로 실리콘이 석출되어 실리콘 입자(3)의 성장속도, 즉 제품입자(3b)의 생산속도를 최대한 향상시키기 위해서는 반응영역(Zr)에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 해야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh) 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 하면서도 불필요할 정도로 과량이 되지 않는 범위 내에서 단위시간당 가열영역(Zh)에 공급되는 유동가스(10)의 공급속도, 즉, F(mole/sec) 값을 설정하는 것이 필요하다.

실리콘 입자들 층에서 입자들의 유동상태는 온도뿐만 아니라 반응가스(11)의 공급속도에 의해서도 좌우되므로, 유동가스(10) 유속(u; cm/sec) 또는 F 값을 반응가스(11)가 공급되지 않는 상태와 반응온도 범위 내에서의 최소유동화상태의 유속(u_mf) 또는 이에 해당하는 F 값, 즉, F_mf를 기준하여 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 단위시간당 가열영역(Zh)에 공급되는 유동가스(10)의 공급속도(F; mole/sec)는 반응가스를 공급하지 않는 상태에서 반응영역(11)에서의 실리콘 입자들이 상기 반응온도 범위 내에서 유동상태가 시작되는 최소유동화상태에 해당하는 공급속도(F_mf)의 1.0 ~ 5.0배 범위 내에 포함되게 하는 것이 좋다.

여기서, F 값이 F_mf 보다 적으면, 유동가스(10) 공급속도와 이에 상응하는 내부가열기(8a)의 부담이 적지만, 가열영역(Zh)에서의 가열속도가 떨어지고, 두 영역(Zh, Zr) 사이에서의 입자 상호간 혼합이 부족하여 열전달 효율이 낮아져 반응온도의 유지가 힘들어진다.

반면에, F 값이 5F_mf 보다 커지면, 유동가스(10) 공급속도가 과다하여 가열영역(Zh)에서의 가열속도는 높아질 수 있지만, 이로 인해 내부가열기(8a)의 부담이 커지고, 반응영역(Zr)에서 가스의 유속이 너무 높아져 입자들의 슬러깅(slugging) 현상이 발생하여 실리콘 석출반응의 효율이 크게 떨어지므로 바람직하지 못하다.

한편, 본 발명에서 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 반응가스공급부(15)는 반응영역(Zr)에 반응가스(11)를 안정적으로 계속 공급할 수 있게 하는 고유 기능을 저해하지 않는다면 여러 가지 구조로 구성될 수 있다.

예를 들어, 가열영역(Zh)에 해당하는 공간에서 반응가스공급부(15)가 튜브 형태의 반응가스노즐만으로 구성될 수도 있는데, 만일 노즐 벽면이 내부가열기(8a)의 복사가열이나 고온의 실리콘 입자들(3)과의 접촉에 의한 가열로 노즐 내부의 온도가 초기분해온도인 약 300 ~ 350 ℃ 이상으로 너무 높게 유지되면, 노즐 내벽면에 실리콘 석출이 발생하고 시간에 따라 누적될 수 있으며, 실리콘 입자들(3)의 유동과 관련된 충격과 진동에 의해 노즐이 파손될 위험성도 있다.

이러한 문제를 예방하는 것이 필요한 경우, 도 2 또는 도 4에 개략적으로 예시한 바와 같이, 반응가스공급부(15)는 가열영역(Zh)에 해당하는 공간에서 반응가스(11) 공급을 위한 반응가스노즐과 이 반응가스노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 동측 다중관의 형태를 지니게 구성하여, 상기 반응가스노즐을 보호할 수도 있다.

이 경우, 도 2에 예시한 바와 같이, 동축 다중관의 동심원 부분에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 불활성가스(12)가 반응가스노즐 보호용 가스로서 흐르게 하여, 반응가스노즐의 내벽면에서 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하고 기계적 취약성을 보완해 주는 것이 가능하다.

상기 반응가스노즐 보호용 가스의 공급속도는 유동가스(10)나 반응가스(11)에 비해 아주 작아도 무방하며, 이 동심원 부분에 실리콘 입자가 존재하여도 반응가스노즐이 불필요하게 과열되는 것을 막아줄 수 있다.

그리고, 상기 반응가스노즐 보호용 가스로 공급되는 불활성가스(12)에 연속적으로, 간헐적으로 또는 주기적으로 염화수소(HCl)를 추가시켜 반응가스노즐 출구 부분에서 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하거나 이미 생성된 실리콘 퇴적물을 제거하는 것도 가능하다.

이러한 목적으로 염화수소를 너무 많이 공급하면 반응영역(Zr)에서 실리콘 입자들(4)이 에칭반응으로 인해 염화실란으로 전환되는 문제가 심각해질 수 있으므로, 염화수소의 공급량이 과다하지 않게 유의할 필요가 있다.

본 발명에 따라 가열영역(Zh) 내부에 설치되는 내부가열기(8a)로 유동층 반응기를 가열하게 되면, 종래의 가열방법에 비해 많은 열량을 반응영역(Zr)에 공급하는 것이 가능하므로, 높은 압력에서 단위시간당 반응가스(11) 공급속도를 높여 유동층 반응기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

높은 압력에서 실리콘 석출반응을 구현하기 위해서는, 가열방법의 개선에 추가하여, 유동층 반응기의 기계적 안정성, 특히 고온의 실리콘 입자들의 유동층에 노출되면서 구조적 강도가 취약한 반응관(2)의 안정성을 확보하는 것이 필요하다.

고압에서의 실리콘 석출반응을 위해, 본 발명에서는, 도 2, 도 3 및 도 4에 개략적으로 예시한 바와 같이, 유동층 반응기에서 반응관(2)을 반응기 셸(1)이 에워싸는 구조가 되도록 반응관(2)을 반응기 셸(1) 내부에 수직으로 배치하여, 반응관(2)의 내부공간에 실리콘 입자들(3)의 층이 존재하고 가열영역(Zh)과 반응영역(Zr)을 포함하는 내부영역(4)으로 정해지는 동시에, 반응관(2)과 반응기 셸(1) 사이의 공간이 실리콘 입자들의 층이 형성되지 않고 석출반응이 일어나지 않는 외부영역(5)으로 정해지도록 구성하여 입자형태의 다결정 실리콘을 제조할 수 있게 한다.

이와 같이 반응기 셸(1) 내부에서의 공간을 반응관(2)을 기준으로 구분하는 것은 반응관(2) 내부와 외부에서의 압력차가 적으면, 반응압력이 아무리 높아도 반응관(2)의 기계적 안정성이 확보될 수 있다는 점에 기초한다.

그리고 높은 압력하에서의 실리콘 석출운전 과정에 있어서 내부영역(4)에 존재하는 실리콘 입자들이 외부영역(5)에 의하여 불순물로 오염되는 것을 방지하기 위하여, 도 3 및 도 5에 개략적으로 예시된 바와 같이, 외부영역(5)에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 불활성가스(12)가 흐르게 하여 외부영역(5)이 불활성가스 분위기로 유지되도록 하는 것이 필요하다.

여기서, 외부영역(5)에서의 불활성가스 분위기 유지 및 압력 제어를 위해 불필요하게 많은 양의 불활성가스(12)를 계속 공급할 필요가 없다.

따라서, 외부영역(5)에서의 불활성가스 흐름은 소량의 불활성가스(12)를 연속적으로, 간헐적으로 또는 주기적으로 외부영역(5)에 공급하는 것을 의미한다.

본 발명에 따르면, 외부영역(5)에서의 압력(Po)과 내부영역(4)에서의 압력(Pi)의 차이(ΔP = |Po-Pi|)를 1 bar 이하로 유지함으로써, 높은 반응압력에서의 실리콘 석출운전 과정에 있어서 반응관(2)의 안정성이 확보될 수 있다.

이와 같은 방법에 의하면, 반응관(2)의 안정성을 훼손하지 않고 Pi 또는 Po 값을 무제한 증가시킬 수도 있지만, 반응압력이 절대압 기준으로 약 20 bar를 초과하는 경우에, 압력에 따라 증가하는 반응가스(10) 및 반응가스(11)의 단위시간 당 공급속도(mole/sec)에 준하여 내부가열기(8a)에 요구되는 가열용량이 지나치게 높아져, 반응온도의 유지가 실제적으로 불가능해진다.

따라서, 본 발명에 따른 유동층 반응기의 가열방법을 이용함에 있어서, 외부영역(5)에서의 압력(Po) 또는 내부영역(4)에서의 압력(Pi)이 1 ~ 20 bar 범위 내에서 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

반응관(2)의 직경이 아주 큰 대량생산용 유동층 반응기에서 높은 압력에서의 실리콘 석출운전을 실시함에 있어서, 내부영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a)만으로 반응온도 유지가 어려운 경우에는, 내부영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여 외부영역(5)에 설치되는 보조가열기(3b)를 이용하여 내부영역(Zh)을 가열하여도 무방하다.

도 3과 도 4는 내부영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여 외부영역(5)에 보조가열기(3b)가 설치되는 경우를 개략적으로 예시하고 있다.

실리콘 석출단계에서, 보조가열기(3b)를 이용하여 내부영역(4)을 추가적으로 가열하고자 하는 경우, 반응관(2) 외부에 설치되는 보조가열기(3b)의 가열효율이 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 내부가열기(8a)에 비하여 뒤떨어지므로, 보조가열기(8b)의 가열용량이 내부가열기(8a)의 가열용량의 100% 이상이 되지 않는 것이 좋다.

보조가열기(8b)의 가열용량이 내부가열기(8a)의 가열용량의 10% 보다 낮으면 보조가열기(8b)의 추가 사용이 가열영역(Zh)의 가열에 있어 가시적인 효과를 나타내지 못하고 경제성 면에서도 크게 문제된다.

따라서, 본 발명에 따라 외부영역(5)에 설치되는 보조가열기(8b)를 실리콘 석출단계에서 추가적으로 이용하고자 하는 경우에, 보조가열기(8b)의 가열용량이 내부영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a)의 가열용량의 10 ~ 100% 범위 내에 포함되도록 하는 것이 좋다.

단, 본 발명에 있어서, 실리콘 석출단계에서의 보조가열기(8b, 8b') 사용 여부에 관계없이, 상기 보조가열기(8b, 8b')는 반응영역(5)에 반응가스를 공급하기 전에 해당하는 반응기 가열 시작단계(start-up)에서 실리콘 입자들(3) 층을 가열하거나, 그리고/또는 실리콘 석출반응에 의해 반응영역(4)에 해당하는 반응관(2)의 내벽면에 누적된 실리콘 퇴적물(D)을 제거하기 위한 실리콘 퇴적물 제거단계에서 실리콘 퇴적물(D)의 선택적 가열을 위해 사용될 수도 있다.

도 3와 도 4는 실리콘 석출과정에서 반응영역(Zr)에 해당하는 반응관(2)의 내벽면에 실리콘이 석출되어 실리콘 퇴적물(D)이 형성되는 사례를 개략적으로 예시하고 있는데, 반응영역(Zr)에 해당하는 반응관(2) 벽면을 외부영역(5)의 보조가열기(8b)로 가열하는 경우에 실리콘 퇴적물(D)의 누적 속도가 너무 빨라져 바람직하지 못하다.

따라서, 보조가열기(8b)를 활용하는 경우에 반응가스(11)가 존재하는 반응영역(Zr)의 벽면이 보조가열기(8b)에 의하여 불필요하게 가열되지 않도록 보조가열기(8b)의 높이는 가급적 가열영역(Zh)의 높이, 즉 반응가스 출구의 높이보다 낮게 하는 것이 유리하다.

그리고, 상기와 같이 가열영역(4)에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여 외부영역(5)에 보조가열기(8b)를 설치하여 내부영역(4)에 열량을 공급할 수도 있지만, 이러한 보조가열 대신 내부영역(4)에 전자기파에너지를 공급하여 실리콘 입자 들(3)을 가열하여도 무방하다.

반응관(2)의 직경이 큰 유동층 반응기의 가열에 사용될 수 있는 전자기파에너지로는 마이크로파가 가장 효과적이다.

본 발명에 따라 반응기 내부영역(4)의 가열을 내부가열기(8a)와 마이크로파(37)를 동시에 이용하고자 하는 경우 마이크로파(37) 공급은 다양한 방법으로 실시될 수 있다.

예를 들어, 전기에너지를 마이크로파로 변환시키는 마그네트론(magnetron) 같은 마이크로파 발생기(35)로부터 마이크로파(37)를 전달하는 금속재질의 도파관(36)을 반응기 셸(1)과 결합하여 연결하거나, 또는 도파관을 사용하지 않고 하나 또는 다수의 마이크로파 발생기(35)를 반응기 셸(1)과 결합하여 설치하면, 내부영역(4)에 마이크로파(37)를 공급하여 실리콘 입자들(3) 자체에서 열이 발생하게 할 수 있다.

이에 따르면, 가열영역(Zh) 내부공간에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여, 반응기 외부 또는 반응기 셸(1) 내부에서 발생되어 내부영역(4)에 공급되는 마이크로파(37)를 이용하여 내부영역(4)을 가열하는 것이 가능하다.

내부영역(4)의 마이크로파 가열을 위해서, 마이크로파(37)는 내부영역(4) 상부로부터 하부의 반응영역(Zr)으로 공급할 수도 있고, 마이크로파 투과성의 반응관(2) 벽면을 통해 가열영역(Zh)에 공급할 수도 있다.

그리고, 마이크로파 발생기(35)가 직접 결합되어 설치되거나 또는 도파관(36)과 연결되는 반응기 셸(1)의 위치에는 별 다른 제약이 없다.

도 5에 개략적으로 예시된 바와 같이, 마이크로파(37)는 마이크로파 발생기(35a)에서 발생되어 반응기 셸(1)과 연결된 도파관(36)을 통해 반응기 내부로 전달된 다음, 마이크로파 투과성의 반응관(2) 벽면을 통해 가열영역(Zh)에 공급되게 할 수도 있고, 도파관(36)을 사용하지 않고 반응기 셸(1)과 결합하여 외부영역(5)에 설치된 마이크로파 발생기(35b)에서 셸(1) 내부 공간에서 발생되고 반응관(2) 벽면을 통해 가열영역(Zh) 및/또는 반응영역(Zr)에 공급되게 할 수도 있다.

이와 같이 마이크로파 가열을 추가적으로 활용하게 되면, 외부영역(5)에서의 보조가열기(8b) 설치 및 활용 여부와 무관하게, 반응영역(5)에 반응가스를 공급하기 전에 해당하는 반응기 가열 시작단계(start-up) 또는 반응가스가 공급되는 실리콘 석출단계에서 실리콘 입자들(3)을 가열하거나, 반응가스(11) 공급이 중단된 상태에서 실시할 수 있는 실리콘 퇴적물(D)의 제거단계에서 이 퇴적물(D)을 선택적으로 가열함에 있어서, 마이크로파를 활용하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 입자형태의 다결정 실리콘 제조에 사용될 수 있는 유동층 반응기의 구성에 관해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 유동층 반응기에서는 반응기 내부공간이 반응기 셸(1)을 통하여 반응기 외부의 공간으로부터 차단된다.

이러한 반응기 셸(1)은 반응기 내부공간에 수직하게 설치되는 반응관(2)을 에워싸는 형태를 지닌다.

반응기 셸(1)은 그 재질을 구성하는 성분이 탄소강과 스테인리스강 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속 또는 전이금속 원소 성분을 추가로 포함하는 다양한 합금으로 이루어져, 재질이 우수한 기계적 강도와 용이한 가공성을 지니도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 반응기 셸(1)은 장치의 제작, 조립 및 해체를 고려하여 도 1 ~ 도 4의 1a, 1b, 1c 및 1d 등으로 예시된 바와 같이 여러 요소들로 나뉠 수 있다.

상기 반응기 내부를 외부 공간으로부터 철저히 차단할 수 있게 다양한 형태와 재질로 제작할 수 있는 가스켓(gasket) 또는 실링부(sealing material)를 이용하여 반응기 셸(1) 요소들을 조립하는 것이 중요하다.

상기 반응기 셸(1)을 구성하는 각 요소는 원통형 파이프, 플랜지, 튜브 및 피팅(fitting), 판(plate), 원추, 타원 또는 이중벽 사이로 냉각매체가 흐르는 자켓 등과 같이 다양한 형태를 지닐 수 있다.

금속재질의 각 요소는 그 내부 표면에 보호막을 코팅하거나 라이너 또는 보호벽을 추가로 설치하여도 좋다. 상기 보호막, 라이너 또는 보호벽은 금속재질로 이루어지거나, 유기고분자, 세라믹, 석영 등과 같은 비금속 재료가 사용될 수도 있다.

첨부한 도 1 ~ 도 4의 1a, 1b, 1c 및 1d 등으로 예시된 바와 같이 반응기 셸(1)을 구성하는 요소들 중에 일부는 장치 보호, 열팽창 방지, 작업자 보호, 기타 사고 방지 등의 목적으로 물, 오일, 가스, 공기 등과 같은 냉각유체로 일정 온도 범위 이하로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

비록 첨부한 도면에 도시되지는 않았지만, 냉각이 필요한 반응기 셸(1) 요소 들은 그 요소의 내부 혹은 외벽에 냉각유체의 순환이 가능하도록 설계되어 제작될 수도 있고, 이러한 냉각 대신, 작업자 보호 및 과다한 열손실 방지를 위하여 반응기 셸(1)의 외부 표면에 단열재를 추가로 설치하는 것도 가능하다.

본 발명에 사용되는 반응관(2)은 반응기 셸(1)에 의하여 고정될 수만 있다면 어떠한 형태로 이루어져도 무방하다.

상기 반응관(2)은 도 1 ~ 도 3에 예시된 단순 튜브형태나, 도 4에 개략적으로 예시된 바와 같이 튜브, 원추 및 타원 부분들을 포함하는 형태를 취할 수 있으며, 반응관 끝부분이 플랜지형으로 가공되어도 무방하다.

그리고, 상기 반응관(2)이 다수의 부분으로 나뉘어져 구성되고, 이 중 일부는 반응기 셸(1) 내벽면에 라이너(liner)와 같은 형태로 설치될 수도 있다.

상기 반응관(2)으로 사용될 수 있는 재질은 고온에서 쉽게 변형되지 않는 무기재료가 바람직하며, 그 재질을 구성하는 성분이 석영(quartz), 실리카(silica), 질화규소(silicon nitride), 질화보론(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 흑연(graphite), 유리질 탄소(glassy carbon) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.

그런데, 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재료는 다결정 실리콘 입자에 탄소불순물을 오염시킬 수 있으므로, 탄소함유 반응관 재료를 응용하고자 하는 경우에는, 실리콘 입자들(3,3a,3b)과 접촉할 수 있는 반응관(2) 내벽면을 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등과 같은 재료로 추가적인 코팅 또는 라이닝 함으로써, 반응관(2) 두께방향으로 다수의 층이 형성되게 하여도 좋다.

따라서, 본 발명에 사용되는 반응관(2)은 그 두께방향으로 반응관 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어질 수 있다.

반응관(2)의 내부영역(4)의 구성에 있어서, 실리콘 입자들 층이 유동가스(10)를 공급하기 위한 유동가스공급부(14) 위에 형성되게 하는 것이 좋다.

실리콘 입자들(3)은 구(sphere), 타원체(spheroid), 다면체(polyhedron), 비드(bead), 과립(granule), 칩(chip) 또는 파편(fragment) 등과 같이 다양한 형태를 지닌다.

이 실리콘 입자들(3)의 분쇄과정을 통해 얻어질 수 있는 종입자(3a)는 모서리가 날카로운 반(半)구, 반타원체, 반다면체, 칩 또는 파편의 형태를 많이 지니지만, 실리콘 석출이 진행됨에 따라 입자 크기가 증가하고 날카로운 모서리부분이 보다 매끈해진다.

이후 장시간의 실리콘 석출에 의해 입자 크기가 아주 증가하게 되면 겉보기 모양이 점차 구형에 가까워진다.

본 발명에 있어서 실리콘 석출에 필요한 반응가스(11)를 실리콘 입자들 층 내부로 공급하는 것이 필요하므로, 반응가스(11)를 공급하기 위한 반응가스공급부(15)는 반응기 셸(1)과 결합되는 부분이 실리콘 입자들 층 내부까지 연장되는 형태로 설치되는 것이 필요하다.

단일 또는 복수의 단위로 구성될 수 있는 반응가스공급부(15)는 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 부분 이외에 반응기 외부에 위치하는 반응가스 제조 및/또는 저장 및/또는 공급 시스템과 연결될 수밖에 없다.

따라서, 본 발명에서의 반응가스공급부(15)는 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 부분 이외에 반응관(2) 외부 및/또는 반응기 셸(1) 내, 외부의 공간에 위치하는 부분도 함께 포함한다.

반응가스공급부(15)에서 실리콘 입자들 층 내부에 설치되는 부분은 조립된 상태에 기준하는 반응기 중심축에 수직하게 또는 비스듬히 반응관(2)과 결합되어 설치되어도 무방하다.

그러나, 반응관(2) 및 반응가스공급부(15)의 기계적 안정성과 반응기의 조립 및 해체의 편의성을 고려하여, 반응가스공급부(15)는 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 것이 바람직하다.

여기서, 반응가스공급부(15)에 포함되는 하나 또는 두 군데 이상의 반응가스 출구는 유동가스공급부(14)에 포함되는 하나 또는 두 군데 이상의 유동가스 출구보다 높게 위치되도록 한다.

그 결과, 반응관(2)의 내부영역(4)이 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측 및 하측으로 공간상으로 구분되며, 내부영역(4)의 상측과 하측이 각각 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh)이 된다.

본 발명에 따른 유동층 반응기에서, 실리콘 석출운전 과정에 있어서 반응가스(11)가 존재하는 반응영역(Zr)에서는 실리콘 입자들(3)의 표면에 실리콘 석출이 일어나며, 유동가스(10)가 흐르는 가열영역(Zh)에서는 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)이 가열된다.

이와 같은 내부영역(4)의 구성에 따라, 반응영역(Zr)과 가열영역(Zh)은 기능 면에서 차이를 지니고, 반응관(2) 내부공간에서의 높이에 따라 공간적으로 구획되기 때문에, 반응가스공급부(15) 이외에 두 영역 사이를 물리적으로 분리하기 위한 별도의 기계적 수단은 필요 없다.

따라서, 가열영역(Zh) 하부의 유동가스공급부(14)에 의해 공급되는 유동가스(10)가 가열영역(Zh)을 통과한 다음 자연스럽게 반응영역(Zr)을 거쳐 상부로 흐를 수 있게 반응관(2)의 내부영역(4)이 구성될 수 있다.

본 발명에서 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)을 가열하는 내부가열기(8a)는 가열영역(Zh)에 포함되는 공간 가운데에서 반응가스공급부(15)와 반응관(2) 내벽면 사이에 설치됨으로써, 내부가열기(8a)의 높이가 반응가스 출구의 높이를 초과하지 않도록 구성된다.

그 결과, 내부가열기(8a)가 반응가스(11)와 직접 접촉하지 못하므로 고온의 내부가열기(8a) 표면에 실리콘이 석출되거나 누적되지 않는다.

유동층 반응기를 이용하여 다결정 실리콘을 연속적으로 또는 반연속적으로 제조하기 위해서는 반응기에 공급되는 여러 가지 가스들과 석출반응 결과 생성되는 가스들을 배출하여 반응관(2) 내부에 가스가 누적되지 않게 하는 것이 필요하다.

마찬가지로, 반응관(2) 내부에서 실리콘 석출반응으로 제조된 실리콘 입자들(3)의 일부를 실리콘 제품입자(3b)로서 반응기 외부로 배출함으로써, 반응관(2) 내부에서 실리콘 입자들(3)의 양이 불필요할 정도로 누적되지 않도록 하는 것이 필요하다.

따라서, 반응영역(Zr)을 통과하게 되는 유동가스(10), 미반응 반응가스(11), 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스(13)를 유동층 반응기의 외부로 배출하는 가스배출부(17)와; 반응관(2) 내부에서 실리콘 석출반응으로 제조된 실리콘 입자들(3)의 일부를 실리콘 제품입자(3b)로서 유동층 반응기 외부로 배출하기 위한 입자배출부(16)가 유동층 반응기에 포함되는 것이 필요하다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유동층 반응기는 반응관(2)과; 상기 반응관(2)을 에워싸는 반응기 셸(1)과; 상기 반응관 내부에 형성되는 실리콘 입자들 층의 하부에서 유동가스(10)를 공급하기 위한 유동가스공급부(14)와; 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스(11)를 공급하기 위해 실리콘 입자들 층 내부에 수직하게 설치되는 반응가스공급부(15)와; 상기 반응가스공급부(15)의 반응가스 출구가 유동가스공급부(14)보다 높게 위치되면서 상기 반응관(2)의 내부영역(4)이 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측 및 하측으로 각각 구분되어 이루어지는 반응영역(Zr) 및 가열영역(Zh)과; 상기 가열영역(Zh)에서 반응가스공급부(15)와 반응관(2) 내벽면 사이에 설치되어 전기저항가열에 의해 유동가스(10)와 실리콘 입자들(3)을 가열하는 내부가열기(8a)와; 상기 반응영역(Zr)을 통과하는 유동가스(10), 미반응 반응가스(11), 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스(13)를 유동층 반응기의 외부로 배출하는 가스배출부(17)와; 상기 반응관(2) 내부에서 실리콘 석출반응으로 제조된 실리콘 입자들(3)의 일부를 실리콘 제품입자(3b)로서 유동층 반응기 외부로 배출하기 위한 입자배출부(16)를 기본적으로 포함하여 구성되어야 한다.

앞에서 설명한 바와 같이, 가열영역(Zh) 공간의 전체 또는 일부에 유동가 스(10)의 흐름에 의해 유동되지 않는 충진물(22)로 충진층을 형성시켜 유동가스(10)가 충진층을 통과하면서 가열되도록 유동층 반응기를 구성할 수도 있다.

이와 같이 유동층 반응기에서 충진물(22)을 활용하고자 하는 경우에, 가열영역(Zh)의 공간 중에서 반응관(2) 내벽면, 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15) 및 내부가열기(8a) 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 유동가스(10)의 흐름에 의해 유동되지 않는 충진물(22)로 구성되는 충진층을 형성하는 것이 필요하다.

본 발명에 사용될 수 있는 충진물(22)은 평균 직경(Df)이 5 mm ~ 50 mm 범위 내에 포함되는 크기를 갖는 것이 좋다.

여기서, Df 값이 5 mm 보다 작으면 필요한 부피에 해당하는 충진물(22)의 개수가 너무 많고 충진물(22) 사이의 공간이 협소하여 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)의 흐름에 불리하다.

반면, Df 값이 50 mm 보다 크면 필요한 부피에 해당하는 충진물(22)의 개수가 너무 적고, 가열영역(Zh)에 내부가열기(8a)를 설치할 수 있는 공간이 너무 적어지며, 유동가스(10)의 분산 등과 같은 충진물(22) 활용 효과가 크게 훼손되므로 바람직하지 못하다.

충진물(22)의 형태에는 특별한 제약이 없지만, 구(sphere), 비드(bead), 볼(ball), 과립(granule), 조각(fragment), 덩어리(lump), 타원체(spheroid), 다면체(polyhedron), 자갈(pebble), 펠릿(pellet), 링(ring) 및 너겟(nugget) 등의 형태 가운데에서 선택하여 활용할 수 있다.

높은 순도가 요구되는 실리콘 입자들(3)과 유동가스(10)가 끊임없이 접촉하게 되는 충진물(22)로부터의 불순물로 오염되는 것을 방지할 수 있게, 충진물(22)의 재질을 구성하는 성분이 석영(quartz), 실리카(silica), 질화규소(silicon nitride), 질화보론(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 흑연(graphite), 유리질 탄소(glassy carbon) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것이 좋다.

본 발명에 사용할 수 있는 가장 이상적인 충진물(22)은 고순도의 실리콘을 구 형태로 가공한 것이다.

만일, 충진물(22)로서 탄화규소, 흑연, 유리질 탄소 등의 탄소함유 재료가 사용되면 실리콘 입자들(3) 및 유동가스(10)가 탄소불순물로 오염될 위험성이 있으므로, 탄소함유 재료로 이루어지는 충진물(22)에 대해서는 표면을 실리콘, 실리카, 석영, 질화규소 등과 같은 재료로 추가적인 코팅 또는 라이닝 함으로써 충진물(22) 두께방향으로 다수의 층이 형성되게 하여도 좋다.

따라서, 본 발명에서 사용될 수 있는 충진물(22)은 그 두께방향으로 충진물(22)의 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어질 수도 있다.

이러한 충진물(22)을 다공성 구조로 성형하여 사용하면 충격에도 약하며 쉽게 마모되어 불순물 미립자를 생성시킬 수 있으므로, 적어도 표면에서의 재료구조에 기공이 최소화되도록 충진물(22)이 고밀도 상태로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 충진물(22)의 재질, 구조, 표면처리 및 제조방 법은 물리적 성질과 기계적 강도의 검사뿐만 아니라 고온으로 가열되는 실리콘 입자 유동층을 이용하는 모사용 소규모 실험장치를 이용한 불순물 오염 여부 및 최적 사양의 실험적 검증을 통해 결정하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에 따른 반응기 가열방법에 의하면 반응영역(Zr)에 필요한 열량을 수월하게 공급할 수 있으므로, 높은 압력에서 단위시간당 반응가스(11) 공급속도(mole/sec)를 높여 유동층 반응기의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

높은 압력에서의 실리콘 석출반응을 구현하기 위해서는 가열방법의 개선에 추가하여 유동층 반응기의 기계적 안정성, 특히 높은 온도의 실리콘 입자들의 지속적인 유동에 노출되면서 구조적 강도가 취약한 반응관(2)의 안정성이 확보되어야 한다.

높은 압력에서의 실리콘 석출운전을 가능하게 하는 한 가지 방안으로, 본 발명에 의한 유동층 반응기는, 도 2, 도 3 및 도 4에 개략적으로 예시한 바와 같이, 반응기 셸(1) 내부공간에서 반응관(2)을 통해 각각 구획되어지되, 실리콘 입자들 층이 형성되고 실리콘 석출반응이 일어나는 내부영역(4)과, 실리콘 입자 층이 형성되지 않고 실리콘 석출반응이 일어나지 않는 외부영역(5)이 구성되도록 제작될 수 있다.

이와 같이 반응관(2)을 기준으로 하여 반응기 셸(1) 내부공간을 내부영역(4)과 외부영역(5)으로 구분하게 되면, 반응관(2) 내부와 외부의 압력차를 줄일 수 있게 하는 조작이 가능하고, 반응관(2)의 안정성을 훼손함이 없이 반응압력을 충분히 높일 수 있다.

본 발명에 따라 내부영역(4)에 포함되는 가열영역(Zh)의 공간 범위 내에 설치되는 내부가열기(8a)는 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어질 수 있다.

반응기의 생산성 증대를 위해 요구되는 가열영역(Zh)에서의 가열능력은 가열영역(Zh) 내부공간에 설치되는 가열기 단위의 개수, 즉 내부가열기(8a)의 표면적과 더불어 증가하므로, 설치 공간이 허용되기만 하면 가열영역(Zh)에 설치될 수 있는 가열기 단위의 개수에는 별다른 제약이 없다.

내부가열기(8a)가 다수의 가열기 단위로 이루어지는 경우에, 이 가열기 단위들은 전기적으로 서로 독립되게 하는 것도 가능하지만 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형식으로 상호 연결되게 하는 것이 효율적이고 경제적이다.

도 1과 도 2는 내부가열기(8a)가 두 세트의 가열기 단위로 이루어지면서 가열기 단위들이 전력공급원(E)에 독립적으로 연결되는 경우와 동일전력공급원(E)과 직렬 형식으로 상호 연결되는 경우를 각각 예시하고 있지만, 가열영역(Zh)의 공간이 커질수록 보다 더 많은 가열기 단위들을 설치하여 가열용량을 증가시킬 수 있다.

이 가열기 단위는 반응기 셸(1)과 결합되어 설치되는 전기연결부(9,9a,9')를 통해 전력공급원(E)과 전기적으로 연결되어 전기저항가열에 따라 반응기 가열이 실시될 수 있다.

하나의 또는 두 세트 이상의 전력변환기, 배전함, 측정 및 제어부 등에서 선택되어 유동층 반응기 외부에 설치되는 전력공급원(E)으로부터 내부가열기(8a)에 공급되는 전기는 직류 또는 교류 어느 것이라도 관계없으며, 보통 수백 ~ 수천 암 페어(Ampere) 범위에 포함되는 고전류의 특성을 지닌다.

전력공급원으로부터 내부가열기(8a)에 공급되는 전력은 반응영역(Zr) 및/또는 가열영역(Zh)에서 측정되는 온도가 사전에 정해진 허용 온도 범위 내에서 유지되도록 제어하는 것이 바람직하다.

내부가열기(8a)와 전력공급원(E)을 전기적으로 연결해주기 위해 반응기 셸(1)과 결합되어 설치되는 전기연결부(9,9a,9')는 가열기 단위별로 따로 설치될 수도 있고, 다수의 또는 전체의 가열기 단위들이 공유할 수 있게 설치될 수도 있다.

본 발명에 있어서 전기저항가열이 진행될 때에 반응기 셸(1)과 결합되어 설치되는 전기연결부(9,9a,9')는 자체적인 저항가열에 의해 높은 온도로 가열되지 않는 것이 바람직하다.

따라서, 전기연결부(9,9',9a)는 자체적인 저항가열이 적게 발생하거나 일정 온도 이하로 냉각이 될 수 있는 전극부를 포함하는 것이 좋으며, 이 전극부는 가열기 단위와 전기적으로 연결될 수 있으면 반응기 셸(1)의 내부 및/또는 외부 어디에 설치되어도 무방하다.

가열기 단위에 전기를 공급하여 저항가열을 실시하기 위해서 가열기 단위는 한 쌍의 전극부와 연결되어야 하며, 다수의 가열기 단위는 각각의 전극부를 통해 전기적으로 상호 연결될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 전기연결부(9,9a,9')는 반응기 셸(1) 내부 및/또는 외부에 설치되는 전극부를 포함하고 이 전극부에 의하여 가열기 단위가 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형식으로 상호 연결될 수 있다.

전기연결부(9,9a,9')는 다음 요소들 가운데에서 전부 또는 일부를 선택하여 구성할 수 있다: (i)전기저항값이 낮아 발열이 적은 금속 도체로 구성된 전극부; (ii)전력공급용 케이블(cable), 바(bar), 튜브(tube), 샤프트(shaft), 도관(conduit), 형상물(shapes) 등의 전력전달수단과 전극부를 상호 결합시키는 연결부 또는 결합부; (iii)개별 가열기 단위를 물리적으로 지지하면서 상기 전극부 또는 전력전달수단과 전기적으로 연결되게 해주거나 상기 전극부를 지지해 줄 수 있는 탄소계 재질의 연결지지체 또는 척(chuck); (iv)상기 전극부 또는 상기 연결지지체를 가스, 물 또는 오일 등의 냉매로 냉각시키기 위한 냉각수단; (v)석출반응기 셸(1)을 이루는 금속재질과의 전기적 차단을 위한 절연수단; (vi)상기와 같은 구성요소들의 연결, 씰링, 절연 및 조립을 위한 부품 및 피팅류 등.

전극부는 내부가열기(8a)를 이루는 저항체(38) 자체가 사용되는 경우도 많지만, 저항가열에 의한 발열이 많지 않게 저항체(38)와 다른 규격이나 재료로 제작될 수 있다.

이러한 전극부의 형태 및 규격의 설정에 있어서는 가열영역(Zh)의 직경 및 허용 공간, 해당 가열기 단위들의 개수와 공간적 배치, 전극부나 전력전달수단에 허용될 수 있는 공간, 저항가열에 의한 자체 발열을 줄일 수 있는 단면적 등을 고려하는 것이 필요하다.

전극부는 석출반응기 셸(1)의 측면 쪽 및/또는 하부 쪽 어느 곳에 설치되어도 무방한데, 내부가열기(8a)용 전극부는 하부 쪽 셸(1)의 내부 또는 외부에 설치 되는 것이 구조적 측면에서 유리하다.

본 발명에 있어서 전극부는 전력공급계통과 가열기 단위 사이를 전기적으로 연결하는 수단으로서, 가열기 단위별 한 쌍의 전극부는 가열기 단위의 입력단자와 출력단자의 기능을 담당하며, 전극부의 상호연결 또는 전기회로적 구성은 가열기 단위의 공간적 배치와 사전에 정해진 전력공급원(E)의 사양에 의해 정해진다.

전극부는 서로 떨어져 설치되고 별도의 전력전달수단으로 따로 연결될 수도 있지만, 전기적으로 연결되어야 할 다수의 전극부와 이 전극부 사이를 연결하는 전력전달수단, 즉 전극연결부를 필요한 형태로 제작하여 설치하여도 좋다.

도 2 및 도 5에서는 반응기 셸(1) 내부에 설치된 전극연결부(9')가 두 세트의 가열기 단위 사이를 전기적으로 연결시켜 주는 경우를 예시하고 있는데, 앞에서 설명한 바와 같이 전극연결부(9')도 반응기 셸(1)외부 공간에 설치하거나 또는 셸(1)과 결합하여 설치하여도 무방하다.

이 전극연결부는 저항체(38)와 동일한 재료를 사용하여 저항가열이 심하게 발생하지 않는 규격으로 제작될 수도 있고; 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 카드뮴(Cd) 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금으로 제작될 수도 있으며; 흑연재료로 제작한 다음 표면에 탄화규소(SiC) 등의 기능성 세라믹층을 형성시켜 제작될 수 있는데, 반응기 셸(1)의 금속재질과 절연되게 하는 것이 필요하다.

전극부의 일부는 온도가 높은 가열영역(Zh) 하부에 노출될 수 있고 전기절연 또는 씰링용 재료의 보호가 필요하므로, 금속재질의 전극 및 절연부품 또는 이와 결합되는 반응기 셸(1) 부분의 전체 또는 일부를 순환하는 냉각유체로 냉각하면 좋다.

전극부는 전극연결부와 마찬가지로 저항체(38)와 동일한 재료를 사용하여 저항가열이 심하게 발생하지 않는 규격으로 제작될 수도 있는데, 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 카드뮴(Cd) 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금으로 제작되거나, 표면이 탄화규소로 처리된 흑연으로 제작한 다음 가열기 단위와 접촉하지 않거나 외부로 노출되는 부분이 전기절연 그리고/또는 불순물 오염 방지가 가능하도록 코팅 또는 라이닝하는 것이 좋다.

유동층 반응기의 가열을 본 발명에 따라 가열영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a) 만으로 실시할 수도 있지만, 본 발명에 의한 상기 내부가열기(8a) 외에 추가로 외부영역(5)에 보조가열기(8b)를 설치하여 내부영역(4)에 열량을 공급할 수도 있다.

내부가열기(8a)와 마찬가지로, 보조가열기(8b)도 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어질 수 있으며, 반응기 셸(1)과 결합하여 설치된 전기연결부(9,9',9a)를 통해 전력공급원(E)과 연결되어 전기저항가열에 따라 반응기 가열이 실시될 수 있다.

이 경우 보조가열기(8b)의 가열기 단위(들)은 내부가열기(8a)의 가열기 단위(들)과 전기적으로 서로 독립되게 구성되어도 좋고, 전기적으로 직렬 및/또는 병렬 형식으로 상호 연결되게 하여도 좋으며, 전기연결부(9,9',9a) 및/또는 전력공급원(E)을 공유하거나 도 3 및 도 4와 같이 서로 독립적이 되도록 구성하여도 좋다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 있어서 실리콘 석출단계에서의 보조가열기(8b, 8b') 사용 여부에 관계없이, 보조가열기(8b, 8b')는, 반응영역(5)에 반응가스(11)를 공급하기 전에 해당하는 반응기 가열 시작단계(start-up)에서 실리콘 입자들(3) 층을 가열하거나 그리고/또는 실리콘 석출반응에 의해 반응영역(4)에 해당하는 반응관(2)의 내벽면에 누적된 실리콘 퇴적물(D)을 제거하기 위한 실리콘 퇴적물 제거단계에서 실리콘 퇴적물(D)의 선택적 가열을 위해 사용될 수도 있다.

만약, 반응기 가열 시작단계에서 실리콘 입자들(3) 층을 가열하기 위해 보조가열기(8b)가 사용되는 경우에는 도 3에 예시된 바와 같이 보조가열기(8b)의 높이에 특별한 제약이 없다.

그러나, 반응영역(5)에 반응가스(11)가 공급되는 실리콘 석출단계에서 내부가열기(8a) 가열용량을 초과하지 않는 보조가열기(8b)가 외부영역(5)에 설치되어 사용되는 경우에, 반응영역(4)에 해당하는 반응관(2)의 내벽면에 실리콘 퇴적물(D)이 누적되는 속도가 증가하지 않도록 도 4의 아래쪽 보조가열기(8b)에 대하여 예시한 바와 같이 높이를 한정하는 것이 좋으며, 보다 안전하게 가열영역(4) 높이 또는 그 이하가 되게 하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4에 예시된 바와 같이 상기 실리콘 퇴적물(D)이 심하게 형성되는 높이에까지 설치되는 보조가열기(8b, 8b')는, 실리콘 석출단계에서는 사용하지 않고, 반응기 가열 시작단계에서 실리콘 입자들(3) 층을 가열하거나 그리고/또는 실리콘 퇴적물 제거단계에 실리콘 퇴적물(D)을 선택적으로 가열하는 데에 한정하여 사용하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 가열영역(4)에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여 외부영역(5)에 보조가열기(8b)를 설치하여 내부영역(4)에 열량을 공급할 수도 있지만, 이러한 보조가열 대신 내부영역(4)에 전자기파 에너지를 공급하여 실리콘 입자들(3)을 가열하여도 무방하다.

반응관(2)의 직경이 큰 유동층 반응기의 가열에 사용될 수 있는 전자기파에너지로는 마이크로파가 가장 효과적이다.

본 발명에서는, 상기 내부영역에 마이크로파(37)를 공급하여 상기 내부영역을 가열할 수 있게 전기에너지를 마이크로파(37)로 변환시키는 마이크로파 발생기(35)로부터 마이크로파(37)를 전달하는 도파관(36)이나 또는 마이크로파 발생기(35)를 반응기 셸(1)과 결합하여 유동층 반응기에 추가로 설치할 수 있다.

마그네트론과 같은 마이크로파 발생기를 도 5의 도면부호 35b와 같이 반응기 셸(1)과 결합하여 설치하고 해당 전력공급원(E)에 의하여 전력을 공급하면 셸(1) 내부 공간으로 마이크로파(37)가 직접 복사될 수 있어 도파관(36)을 추가로 사용하지 않는 장점이 있지만 개별 발생기의 용량이 제한적이어서 많은 개수의 발생기를 설치해야 하며 기계적 안전성이 부족한 반면, 도파관(35)을 통해 반응기 셸(1)과 연결되어 반응기 외부에 설치되는 마이크로파 발생기(35)는 필요한 용량대로 장치를 구성할 수 있고 장치로서의 신뢰성이 높은 반면 비용이 비싸다.

마이크로파(37)는 내부영역(4) 상부, 즉, 가스배출부(17) 등이 설치되는 반응기 셸 덮게부분(도 2의 1b 또는 도 3 및 도 4의 1d)로부터 하부의 반응영역(Zr)으로 공급될 수도 있고, 반응관(2)을 이루는 재질이 마이크로파 투과성의 석영이나 질화규소 등으로 이루어지면 반응관(2) 벽면을 통해 가열영역(Zh)에 공급할 수도 있다.

이와 같이 마이크로파 가열을 추가적으로 활용할 수 있게 구성되는 본 발명에 의한 유동층 반응기에서는, 외부영역(5)에서의 보조가열기(8b) 설치 및 활용 여부와 무관하게, 반응기 가열 시작단계 또는 실리콘 석출단계에서 실리콘 입자들(3)을 가열하거나, 반응가스(11) 공급이 중단된 상태에서 실시할 수 있는 실리콘 퇴적물(D)의 제거단계에서 이 퇴적물(D)을 선택적으로 가열함에 있어서 마이크로파(37)를 활용하는 것이 가능하다.

본 발명에 있어서, 유동가스(10) 및 반응가스(11)를 실리콘 입자들(3) 층 내부에 각각 공급하기 위한 유동가스공급부(14)와 반응가스공급부(15)는 튜브나 노즐, 평판 또는 디스크 또는 원추형 판, 챔버, 플랜지, 피팅(fitting), 라이너(liner), 성형품 및 가스켓 등의 요소들 가운데에서 선택하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 유동가스(10)는 가열영역(Zh)으로부터 반응영역(Zr)에 필요한 열량을 공급함에 있어서 중요한 역할을 담당한다.

본 발명에 따라 가열영역(Zh) 하부에 설치되는 유동가스공급부(14)는 가열영역(Zh)의 하부에서 유동가스(10)를 분산하여 공급할 수 있게 다수의 구멍이 뚫린 평판, 디스크 또는 원추형 판의 형태를 지니는 가스분산판 또는 가스분산용 성형물을 포함하거나, 그리고/또는 다수의 유동가스공급노즐을 포함하여 구성될 수 있으며, 형태와 구조에 제한을 받지 않는다.

본 발명에 따라 반응가스공급부(15)의 반응가스 출구의 높이를 유동가스공급 부(14)의 유동가스 출구보다 높게 위치시키는 것은 가열영역(Zh)의 가열을 통한 반응기 가열뿐만 아니라 가열영역(Zh)에 노출되는 유동가스공급부(14) 표면에 실리콘이 석출되는 문제를 예방하는 장점을 지니고 있다.

실리콘 석출운전 과정에 필요한 유동가스(10)는 유동가스공급부(14)의 구성방법에 따라 다양한 형태로 공급될 수 있다.

도 1에서는 별도의 가스분산판을 사용하지 않고 다수의 유동가스공급노즐(19)가 가스분산기의 기능을 지니면서 유동가스(10)를 가열영역(Zh)으로 공급할 수 있도록 유동가스공급부(14)을 구성하는 경우를 개략적으로 예시하고 있는데, 반응관(2) 단면을 기준으로 유동가스(10)의 흐름이 골고루 분산될 수 있게 다수의 유동가스공급노즐(19)을 잘 배치하는 것이 바람직하다.

도 2 및 도 3에서는 유동가스챔버(19')에 공급되는 유동가스(10)가 원판형의 가스분산판(19)을 통해 골고루 분산되면서 유동가스(10)를 가열영역(Zh)으로 공급하도록 유동가스공급부(14)를 구성하는 경우를 개략적으로 예시하고 있다.

이 유동가스챔버(19')는 반응기 셸(1)과 결합된 형태로 구성될 수 있고, 필요한 경우 유동가스(10)를 예열할 수 있게 유동가스챔버(19') 내부가 가열될 수 있게 구성하여도 좋다.

도 2 및 도 4에 예시된 바와 같이, 가열영역(Zh)에 충진물들(22)의 고정층을 형성시키고, 이 충진물 사이의 공간을 통해 유동가스(10)가 추가로 분산되면서 흐르게 하는 것도 가능하다.

본 발명에 따라, 유동가스(10)에 의하여 유동되지 않는 충진물들(22)의 고정 층이 유동가스공급부(14) 위에 형성되는 경우, 이 고정층은 반응가스공급부(15)의 반응가스 출구보다 낮은 위치에, 즉 가열영역(Zh)의 전체 또는 하부의 일부 공간에 형성시키는 것이 좋다.

한편, 실리콘 석출에 필요한 반응가스(15)를 반응영역(Zr) 내부로 공급하기 위한 반응가스공급부(15)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있는데, 도 2에 예시된 바와 같이 하나의 반응가스노즐로 구성되거나, 또는 여러 개의 노즐로 나뉘어 구성되거나, 또는 가열영역(Zh)에 해당하는 공간에서 반응가스(11) 공급용 반응가스노즐과 이 노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 가급적 동축이 되도록 조립된 동축 다중관의 형태를 지니게 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 입자배출부(16)가 반응기 셸(1) 하부에서 유동가스공급부(14)와 함께 조립되는 경우, 입자배출부(16)는 반응가스공급부(15)와 동측 다중관의 형태로 상호 결합되어 설치 및 조립될 수도 있고, 상기 동축 다중관과는 별도로 구성하여 설치되게 할 수도 있다.

가열영역(Zh) 공간의 크기에 따라 동축 다중관 세트는 하나 또는 두 개 이상 설치될 수 있는데, 반응가스공급부(15)의 구성 방법 사례를 유동가스공급부(14)와 입자배출부(16)와 연관시켜 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

가열영역(Zh) 공간에서 동축 다중관 형태로 반응가스공급부(15)을 구성하는 한 가지 예로서, 도 2에 하나의 다중관 세트에 대해 예시된 바와 같이, 튜브형 반응가스노즐을 외부에서 보호하기 위한 튜브형 보호노즐을 이중관으로 구성하고, 이 이중관의 하부 둘레에 입자배출부(16)가 가급적 동축이 되도록 서로 결합되어 조립 되는 형태로 구성하는 것이 가능하다.

이 경우 반응가스노즐과 보호노즐 사이에 이루어지는 단면이 동심원인 공간으로 실리콘 석출이 일어나지 않는 불활성가스(12)로서 수소, 질소, 알곤 또는 헬륨 가운데에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 갖는 가스를 공급하여 반응가스노즐 내벽면이 실리콘 석출이 가능한 온도로 가열되지 않도록 조작할 수 있게 반응가스공급부(15)를 구성하는 것이 좋다.

그리고, 반응가스노즐 출구부분에 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하거나 이미 생성된 실리콘 퇴적물을 제거하는 것이 가능하도록, 반응가스공급부(15)가 상기 불활성가스(12)에 연속적으로, 간헐적으로 또는 주기적으로 염화수소를 추가시킬 수 있는 수단을 포함하도록 구성하여도 좋다.

만일 반응가스노즐에 하나의 보호노즐의 설치만으로 반응가스노즐 내벽면 온도를 실리콘 석출이 시작되는 초기분해온도 이하로 유지하기 어려운 경우에, 2개 또는 그 이상의 보호노즐을 동축 다중관 형태가 되게 설치하여도 무방하다.

구성 형태가 어떠하든, 본 발명에 따른 입자배출부(16)는 불활성가스(12)로서 수소, 질소, 알곤 또는 헬륨 가운데에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 갖는 가스가 입자배출부(16) 내부에서 실리콘 제품입자(3b)의 이동 방향과는 반대 방향의 흐름이 일어나게 조작할 수 있게 구성되는 것이 좋으며, 이 가스는 입자배출부(16)를 통과한 다음 가열영역(Zh) 내부로 흘러가게 하여도 무방하다.

다른 예로서, 도 3에 개략적으로 예시된 바와 같이, 유동가스챔버(14')에 공급되는 유동가스(10)가 원판형의 가스분산기(19)을 통해 골고루 분산되어 가열영 역(Zh)으로 공급되도록 하는 유동가스공급부(14)의 중앙에 반응가스노즐을 수직하게 설치하고, 이 노즐의 하부는 입자배출부(16)에 의해 동축 이중관 형태로 구성하여, 단면이 동심원인 공간으로 제품입자(3b)가 가열영역(Zh)으로부터 하부 방향으로 이동할 수 있게 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15) 및 입자배출부(16)가 상호 결합된 형태를 취하면서 조립, 설치되게 할 수 있다.

그리고, 도 4에 개략적으로 예시된 바와 같이, 반응가스노즐과 보호노즐이 가열영역(Zh)에서 동축 이중관 형태를 취하게 하고, 그 아래 부분에서 가스분산기(19)를 포함하는 유동가스공급부(14)와 높이에 따라 동축 다중관 형태로 이루어지게 상호 결합된 형태를 취하게 한다.

입자배출부(16)는 반응가스공급부(15)와는 별도로 유동가스공급부(14)에 포함되는 가스분산기(19)에 결합된 형태를 취하면서 반응가스공급부(15)을 구성할 수도 있다.

본 발명에 따른 유동층 반응기에 설치되는 입자배출부(16)는 다결정 실리콘 제품입자들(3b)을 연속적 또는 반연속적으로 제조하거나 기타의 목적으로 실리콘 석출과정에서 제조된 실리콘 입자의 일부를 내부영역(4)으로부터 반응기 외부로 배출시키기 위해 사용된다.

이에, 입자배출부(16)는 내부영역(4)으로부터 실리콘 입자(3b)가 연속적으로, 주기적으로 또는 간헐적으로 필요한 시점에 빠져 나오도록 할 수 있다.

이 밖에도 도 3에 예시된 바와 같은 유동가스챔버(14') 공간의 일부 또는 하부에 실리콘 입자(3b)가 냉각되면서 체류한 다음 반응기 외부로 배출되게 별도의 공간을 반응기 셸(1)과 결합하여 설치하여도 좋다.

본 발명에 따르면, 실리콘 입자들 제조 단계에서는 내부영역(4)으로부터 배출되는 실리콘 입자들(3)의 일부, 즉 실리콘 제품입자(3b)는 반응기와 직접 연결된 다결정 실리콘 제품 저장수단 또는 운반수단으로 이송될 수 있다.

한편, 유동층 반응기의 특성상 실리콘 입자들 제조 단계에서 제조되는 실리콘 제품입자(3b)도 입자분포를 지닐 수밖에 없으므로 여기에 포함된 작은 입자들은 종입자(3a)로 손쉽게 활용될 수도 있다.

따라서, 상기 내부영역(4)으로부터 배출되는 실리콘 제품입자(3b)들을 크기에 따라 분리할 수 있는 분급수단으로 이송하여 사전에 정해진 크기 기준에 따라 입자들을 분리한 다음, 큰 입자들을 다결정 실리콘 제품 저장수단 또는 운반수단으로 이송하고, 작은 입자들을 종입자(3a)로 활용하는 것도 가능하다.

한편, 상기 반응기 내부영역(4), 즉 실리콘 입자들 층의 높은 온도를 고려할 때, 실리콘 제품입자(3b)가 입자배출부(16)를 거쳐 빠져나오는 동안 냉각되는 것이 바람직하며, 따라서 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 가스를 입자배출부(16)를 통해 흐르도록 하거나 입자배출부(16) 벽면에 물, 오일, 가스 등의 냉매를 순환시켜 뜨거운 입자들을 냉각시켜도 좋다.

이 밖에도, 비록 도식화하여 표시하지는 않았지만, 실리콘 제품입자(3b)가 유동층 반응기에서 일정 시간 동안 체류하면서 냉각된 다음 유동층 반응기 외부로 배출될 수 있도록, 반응기 셸(1) 내부, 예를 들어 도 3의 유동가스챔버(14') 또는 반응기 셸 하부(도 3의 도면부호 1b)와 결합하여 별도의 충분한 공간을 차지할 수 있게 입자배출부(16)를 마련해 놓을 수도 있다.

상기 입자배출부(16)를 거치면서 반응기를 빠져나오는 과정에서 실리콘 제품입자(3b)가 불순물로 오염되는 것을 방지하는 것이 필요하며, 따라서 고온의 실리콘 제품입자(3b)와 접촉하게 되는 입자배출부(16) 구성요소를 반응관(2)에 사용될 수 있는 무기재질 성분으로 이루어진 튜브, 라이너 또는 성형품으로 제작하여 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 입자배출부(16)의 구성요소는 금속재질의 반응기 셸(1) 및/또는 라이너 등과 결합하여 고정하는 것이 필요하며, 무기재질의 상기 요소를 대신하여, 상당히 냉각된 제품입자들과 접촉하거나 벽면이 냉각이 될 수 있는 입자배출부(16)의 구성요소는 내벽면이 첨가제나 충진제(filler)을 포함하지 않는 고분자물질로 코팅 또는 라이닝된 금속재질의 튜브, 라이너 또는 성형품으로 이루어져도 무방하다.

앞에서 설명한 바와 같이, 실리콘 제품입자(3b)는 반응기 내부영역(4)으로부터 입자배출부(16)를 통해 다결정 실리콘 제품 저장수단 또는 운반수단으로 연속적으로, 주기적으로 또는 간헐적으로 배출될 수 있다.

한편, 반응기와 제품 저장수단 사이에 분급수단을 설치하여 실리콘 제품입자(3b)를 크기에 따라 분리하여 작은 입자들을 종입자(3a)로 활용하는 것도 가능하다.

본 발명에서 사용될 수 있는 분급수단으로는 산업적으로 많이 활용되는 다양한 입자 분리장치들이 응용될 수 있으며, 단 입자 분리과정에 불순물 오염이 발생하지 않도록 실리콘 제품입자(3b)와 접촉하는 분급수단의 구성요소를 입자배출 부(16)에 사용되는 재료로 구성하거나, 첨가제나 충진제를 포함하지 않는 고분자 재료로 구성하는 것이 바람직하다.

비록 도 2 ~ 도 4에는 하나의 동축 다중관 세트가 수직하게 설치되는 경우를 개략적으로 예시하고 있지만, 이러한 구성방법은 가열영역(Zh) 내부공간에 다수의 동축 다중관 세트를 설치하여 반응가스공급부(15)의 구성하고자 할 때에도 활용될 수 있다.

이상 설명한 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15) 그리고/또는 입자배출부(16)를 구성하는 요소들은 그 재질을 구성하는 성분이 반응기 셸(1)에 사용될 수 있는 금속 이외에 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.

특히, 이 요소들 가운데에서 실리콘 입자들(3) 그리고/또는 제품 입자들(3b)과 접촉할 수 있는 부분은, 실리콘 입자들(3)의 불순물 오염을 방지하는 목적으로 실리콘, 질화규소, 또는 석영 등으로 이루어질 수 있게 두께방향으로 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어질 수도 있다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라 반응관(2)을 기준으로 하여 반응기 셸(1) 내부공간을 내부영역(4)과 외부영역(5)으로 구분하게 되면 반응관(2) 내부와 외부의 압력차를 줄일 수 있게 하는 조작이 가능하고, 반응관(2)의 안정성을 훼손함이 없이 반응압력을 충분히 높일 수 있다.

이 목적을 달성하기 위해서는 유동층 반응기가 (i)외부영역(5)을 불활성가스 분위기로 유지할 수 있게 하기 위한 불활성가스 연결부(26)와; (ii)내부영역(4) 및 외부영역(5)에서의 압력을 각각 측정 및/또는 조절하기 위한 압력제어수단과; (iii)외부영역(5)에서의 압력(Po)과 내부영역(4)에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar<｜Po-Pi｜≤1 bar 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 압력차조절수단을 함께 포함하여 구성되는 것이 필요하다.

이러한 구성에 따르면, 유동층 반응기의 내부영역(4)은, 실리콘 입자 층(4a)이 형성되고, 이 실리콘 입자 층(4a)에 유동가스 출구 및 반응가스 출구에 의해 유동가스(10) 및 반응가스(11)가 각각 공급되면서 실리콘 석출반응이 일어나며, 유동가스(10), 미반응 반응가스(11), 반응 생성물 가스를 포함하는 배출가스(13)가 흘러나가는 데에 있어서 필요한 제반 공간을 포함한다.

따라서, 상기 내부영역(4)은 실리콘 입자들(3)의 유동층에서 실리콘이 석출되어 다결정 실리콘 입자 제품을 제조할 수 있게 하는 기본적인 역할을 담당한다.

이와는 달리, 상기 외부영역(5)은 실리콘 입자들(3)의 층이 형성되지 않고, 반응가스(11)가 흐르지 않아 실리콘 석출반응이 일어나지 않으며, 반응관(2)의 외벽과 반응기 셸(1) 사이에서 형성될 수 있는 공간이다.　

본 발명에 따라 형성되는 외부영역(5)도 여러 가지 중요한 역할을 담당하는 바, 첫째, 외부영역(5)은 반응관(2)을 보호할 수 있게 하는 공간을 제공하는데, 이는 내부영역(4)과 외부영역(5) 사이의 압력 차이가 제한된 범위 내에서 유지되도록 함으로써 가능하다.

둘째, 외부영역(5)은 반응기로부터의 열손실을 차단하거나 줄여줄 수 있는 단열재(6)를 설치할 수 있는 공간을 제공한다.

셋째, 외부영역(5)은 본 발명에 따라 내부영역(4)에 설치되는 내부가열기(8a)에 추가하여 필요시 보조가열기(8b)를 반응관(2) 둘레에 설치할 수 있게 하는 공간을 제공해 준다.

넷째, 외부영역(5)은 반응관(2) 외부를 불활성가스 분위기로 유지할 수 있도록 하여 내부영역(4)에서의 폭발이나 부식의 원인이 되는 가스 성분과 기상 또는 고상의 유, 무기 불순물 성분이 혼입되는 것을 방지하고, 반응관(2)을 반응기 셸(1) 내부에 안전하게 설치하고 유지시킬 수 있는 공간을 제공해 준다.

다섯째, 외부영역(5)은 외부영역 연결부(28)를 통하여 내부영역(4)에서 존재할 수 있는 가스 성분의 존재 또는 농도, 온도, 압력, 입자 성분 등을 측정할 수 있게 하여 반응관(2)의 이상 유무를 필요할 때에 실시간으로 측정할 수 있게 해준다.

여섯째, 외부영역(5)은 반응관(2) 내벽면에 석출되어 누적되는 실리콘 층을 화학적으로 제거할 때 필요한 실리콘 층 가열용 가열기(8b')를 도 4에 도시된 바와 같이 설치할 수 있는 공간을 제공해준다.

일곱째, 외부영역(5)은 반응관(2)과 내부영역(4)을 효율적으로 조립하고 해체할 수 있게 하는 역할도 담당한다.

이와 같이 본 발명에 따른 외부영역(5)이 여러 가지의 역할을 담당하기 때문에 한 개 이상의 튜브, 판, 성형물, 피팅 등의 분할요소로 이 외부영역 공간을 상하로 및/또는 원주방향으로 분할하여도 무방하다.

단, 본 발명에 따라 상기 외부영역(5)을 추가로 분할하는 경우에는 분할된 공간들이 가스분위기와 압력이 동일하게 공간상으로 상호 연결되게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 외부영역(5)에는 반응관(2) 외부에 단열재가 설치될 수 있는데, 설치될 수 있는 단열재(6)로는 복사와 전도에 의한 열전달을 억제함으로써 산업적으로 많이 활용되는 실린더, 블록, 천(fabric), 담요 또는 펠트(felt), 발포체 또는 충진층 등의 형태를 지니는 무기재질 단열재를 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명에서는 불활성가스 연결부(26a,26b)를 반응기 셸(1)에 설치하여 외부영역(5)을 내부영역(4)과는 달리 실리콘 석출반응과 무관하게 불활성가스 분위기로 유지하게 된다.

상기 불활성가스(12)로는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 반응기 셸(1)에 설치되어 외부영역(5)과 공간상으로 연결되는 불활성가스 연결부(26a,26b)는 불활성가스(12)의 공급이나 배출을 위해 필요한 배관 연결기능을 갖는 것으로서, 튜브, 노즐, 플랜지, 밸브나 피팅 등과 같은 다양한 요소 중에서 선택되거나 조합되어 설치될 수 있다.

한편, 상기 불활성가스 연결부(26a,26b)와는 별도로 외부영역(5)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 반응기 셸(1)에 외부영역 연결부(28)를 설치하여 온도, 압력, 가스성분의 측정 및 제어에 활용하는 것도 가능하다.

상기 불활성가스 연결부(26a,26b)는 1개만 있어도 외부영역(5)에서의 불활성가스 분위기 유지에 문제가 없으며, 이중관 또는 다수의 불활성가스 연결 부(26a,26b)를 이용하여 불활성가스의 투입과 배출을 독립적으로 실시할 수 있다.

또한 상기 불활성가스 연결부(26a,26b)는 외부영역(5)에서의 독립적인 불활성가스 분위기 유지뿐만 아니라 외부영역 연결부(28)를 활용하여 실시할 수 있는 유량, 온도, 압력, 가스성분의 측정 및 제어에도 동시에 활용될 수 있다.

첨부한 도 3 및 도 4에서는 상기 불활성가스 연결부(26a,26b) 또는 외부영역 연결부(28)를 이용하여 외부영역(5)에서의 압력(Po)을 측정하거나 제어하는 다양한 경우들을 예시하고 있다.

상기 불활성가스 연결부(26a,26b)와 별도로 설치될 수 있는 외부영역 연결부(28)는 외부영역(5)이 유지되는 상태의 측정 및 제어를 위하여 설치된다.

상기 외부영역 연결부(28)도 배관 연결기능을 갖는 것으로서 튜브, 노즐, 플랜지, 밸브나 피팅 등과 같은 다양한 요소 중에서 선택되거나 조합되어 설치될 수 있다.

만일, 상기 불활성가스 연결부(26a,26b)가 설치되지 않는다면 외부영역 연결부(28)가 온도, 압력, 가스성분의 측정 및 제어에 추가하여 불활성가스(12)의 공급이나 배출에도 활용될 수도 있다.

그러므로, 상기 불활성가스 연결부(26a,26b)와 외부영역 연결부(28)는 형태나 기능 면에서 반드시 구분될 필요는 없다.

위치와 시간에 따라 압력이 거의 일정하게 유지될 수 있는 외부영역(5)과 달리, 내부영역(4)에서는 실리콘 입자들(3)의 층이 존재하고, 이 층의 높이에 따라 압력차이가 불가피하게 발생하므로 상기 내부영역(4)에서의 압력(Pi)은 내부영 역(4) 위치에 따라 차이가 있다.

고체입자 유동층에 의한 압력손실은 유동층의 높이에 의하여 좌우되지만, 유동층의 높이가 지나치게 높지 않은 경우 유동층에 의한 압력손실은 약 0.5 ~ 1 bar 이하가 되게 하는 것이 보통이다.

또한 고체입자 유동층의 특성상 시간에 따라 압력의 불규칙적인 변화도 불가피하게 발생하게 된다.

그러므로, 내부영역(4)에서는 위치와 시간에 따라 압력값이 변화될 수 있다.

이와 같은 특성을 고려하여 내부영역(4)에서의 압력(Pi)을 직, 간접적으로 측정하거나 조절하기 위한 내부압력 제어부를 여러 위치 중에서 선택하여 내부영역(4)과 공간상으로 연결, 설치하게 된다.

본 발명에 따른 압력제어수단인 내부압력 제어부와 외부압력 제어부는 반응기의 특성과 제어하고자 하는 조업변수의 선택에 의하여 다양한 위치에 연결, 설치될 수 있다.

상기 내부압력 제어부는 내부영역(4)에 공간상으로 직,간접적으로 노출되는 내부영역 연결부(24,25), 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15), 입자배출부(16) 또는 가스배출부(17)을 통해 내부영역(4)과 공간상으로 연결, 설치될 수 있다.

한편, 상기 외부압력 제어부는 외부영역(5)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 반응기 셸(1)에 설치된 외부영역 연결부(28) 또는 불활성가스 연결부(26a,26b) 등을 통해 외부영역(5)과 공간상으로 연결,설치된다.

본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 압력을 직, 간접적으로 측정하여 조절함에 있어서 필요한 요소들을 포함하게 된다.

상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 공간상의 연결에 필요한 연결관 또는 피팅(fitting)류와; 수동식, 반자동식 또는 자동식의 밸브류와; 디지털 또는 아날로그 방식의 압력계 또는 차압계와; 압력지시기 또는 기록기와; 신호전환기 또는 연산기능을 갖춘 제어기 등과 같은 요소들 중에서 한 가지 이상 선택하여 구성할 수 있다.

상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 기계적으로 또는 신호 회로적으로 상호 연결하여 구성할 수 있고, 중앙제어시스템, 분산제어시스템, 국부적 제어시스템과 같은 제어수단과 부분적 또는 복합적으로 연결하여 구성할 수 있다.

그리고, 상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 압력과 관련하여 독립적으로 구성할 수도 있지만, 압력 이외의 조업변수인 유량, 온도, 가스성분, 입자농도 등의 변수의 측정과 제어에 필요한 수단을 부분적 또는 복합적으로 연결하여 구성할 수 있다.

한편, 상기 내부압력 제어부 및/또는 외부압력 제어부의 구성 요소가 불순물 성분이나 고체 입자 등으로 오염되는 것을 방지하거나 압력의 완충을 위하여, 이들 제어부를 입자 분리용 필터나 스크러버 등과 같은 분리수단이나 압력 완충용 용기(pot)를 추가하여 구성할 수도 있다.

상기 내부압력 제어부가 연결되어 설치될 수 있는 곳으로는 내부영역(4)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 반응기 셸(1)에 압력, 온도, 가스성분의 측정, 내부관찰 등의 목적으로 활용될 수 있게 설치된 내부영역 연결부(24,25)와 연결되는 곳을 예로 들 수 있다.

이러한 연결부(24,25)와 연결하여 내부압력 제어부를 설치하면 실리콘 입자 유동층에 의한 압력의 시간에 따른 변화를 파악하기는 어렵지만 내부영역 상부 공간(4c)에서의 압력을 안정적으로 측정, 조절할 수 있다.

만일, 유동층에 의한 압력의 시간에 따른 변화를 파악하기 위하여 내부영역 연결부를 실리콘 입자들 층 내부와 공간상으로 연결되게 설치하여도 무방하다.

이 밖에도 반응기 셸(1)과 결합, 설치되어 내부영역(4)과 공간상으로 연결될 수 있는 위치, 즉 유동가스공급부(14) 또는 반응가스공급부(15) 또는 입자배출부(16) 또는 가스배출부(17) 등과 연결되는 위치에 내부압력 제어부를 설치할 수 있다.

또한 상기 내부영역 연결부(24,25) 및 내부영역(4)과 공간상으로 연결될 수 있는 위치를 필요한대로 설치하여 내부압력 제어부를 두 군데 이상 설치하여도 무방하다.

이와 같이 내부압력 제어부가 설치되는 위치에 따라 실리콘 입자의 존재에 의하여 측정되는 압력 Pi 값에 차이를 나타내는데, 본 발명자들의 실험에 의하면 유동층의 유동 특성과 유동가스공급부(14) 또는 반응가스공급부(15) 또는 입자배출부(16) 또는 가스배출부(17)의 구조에 따라 차이가 있지만, 압력측정 위치에 따른 Pi 값의 차이는 실제적으로 1 bar 이내가 된다.

본 발명에 따른 바람직한 구현예에서, 상기 외부영역(5)에서의 압력을 직, 간접적으로 측정, 조절하기 위한 외부압력 제어부를 여러 위치 중에서 선택하여 외부영역(5)과 공간상으로 연결되게 설치하는 것이 필요하다.

상기 외부압력 제어부가 연결되어 설치될 수 있는 곳으로는 외부영역(5)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 반응기 셸(1)에 설치되는 외부영역 연결부(28) 또는 불활성가스 연결부(26a,26b)와 연결되는 곳을 예로 들 수 있다.

본 발명에서 상기 외부영역(5)이 불활성가스 분위기로 유지되는 것이 바람직하므로, 외부영역(5)에 불활성가스(12)를 공급할 수 있는 불활성가스 연결부(26a)와, 상기 외부영역(5)으로부터 불활성가스(12)를 배출할 수 있는 불활성가스 연결부(26b)를, 외부영역 연결부(28)로 활용하는 것이 가능하다.

따라서, 상기 외부영역(5)에서의 압력을 직, 간접적으로 측정,조절하기 위한 외부압력 제어부를 불활성가스 연결부(26a,26b) 또는 외부영역 연결부(28)를 통해 외부영역(5)과 공간상으로 연결되게 설치하는 것도 가능하다.

본 발명에 있어서, 상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 내부영역(4)에서의 압력, Pi와 외부영역(5)에서의 압력, Po의 차이, 즉｜Po - Pi｜값을 1 bar 이내로 유지하는 데에 활용될 수 있다.

단, 내부압력 제어부를 구성함에 있어서, 내부영역(4)의 위치에 따라 Pi 값이 변화함을 유의하여야 한다.

유동층 내부 또는 하부와 공간상으로 연결되는 위치에 설치되는 내부영역 연결부(24,25), 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15), 또는 입자배출부(16) 등에 서 측정되는 Pi 값은 내부영역 상부공간(4c)과 같이 실리콘 입자의 유동층과 접촉하지 않는 내부영역 연결부, 가스배출부(17) 또는 실리콘 종입자 주입부(18) 등을 통해 측정되는 Pi 값보다 크다.

특히, 실리콘 입자 유동층의 하부와 공간상으로 연결되는 내부영역 연결부, 유동가스공급부(14) 또는 입자배출부(16)에서 측정되는 압력은 최대 내부압력값 Pi(max)을 나타내고, 유동층과 접촉하지 않는 가스배출부(17) 또는 내부영역 연결부(24,25)에서 측정되는 압력은 최소 내부압력값 Pi(min)을 나타낼 수 있다.

이는 상기 실리콘 입자들(3) 층에서는 높이에 따라 압력차이가 반드시 존재하고, 상기 층 하부에서의 Pi 값이 실리콘 입자들 층 상부에서의 Pi 값보다 항상 높기 때문이다.

이 압력차이는 실리콘 입자들 층 높이에 따라 증가하는데, 실리콘 입자들 층에서의 압력차이가 1 bar 이상이 되면 반응기의 높이가 지나치게 높아져 바람직하지 않으며, 또한 실리콘 입자들 층 하부와 상부의 압력차이가 0.01 bar 이하가 되면 실리콘 입자들 층 높이 및 부피가 작아져 반응기의 생산량이 너무 작다.

따라서, 본 발명에서는 실리콘 입자들 층 높이에 따른 압력차이가 0.01 ~ 1 bar 범위 이내에서 포함되게 하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 내부영역(4)에서 측정될 수 있는 최대의 압력값 Pi(max)와, 최저의 압력값 Pi(min)의 차이가 1 bar 이내에 포함되게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 반응관(2) 내부와 외부에서의 압력차이, 즉 ｜Po - Pi｜값을 1 bar 이내로 유지함에 있어서 반응관(2) 높이에 따라 압력차이 값이 다르다는 점 을 반드시 유의하여야 한다.

상기 내부압력 제어부가 내부영역 상부(4c)보다 압력이 높은 실리콘 입자들 층 내부 또는 하부와 공간상으로 연결되는 곳인 내부영역 연결부, 유동가스공급부(14) 또는 반응가스공급부(15) 또는 입자배출부(16) 등을 통해 내부영역(4)과 공간상으로 연결되는 경우, Po ≤ Pi 이면서 0 bar < (Pi - Po) ≤ 1 bar 인 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

반면, 상기 내부압력 제어부가 실리콘 입자들 층 내부 또는 하부보다 압력이 낮은 내부영역 상부공간(4c)과 같이 실리콘 입자의 유동층과 접촉하지 않는 가스배출부(17), 실리콘 종입자 주입부(18), 내부영역 연결부(24,25) 등을 통해 내부영역(4)과 공간상으로 연결되는 경우, Pi ≤ Po 이면서 0 bar < (Po - Pi) ≤ 1 bar인 조건을 만족하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부를 구성함에 있어서 각각 한 군데 이상의 압력을 측정하여 평균값을 활용하여도 좋다.

특히, 상기 내부영역(4)에서는 연결되는 공간에 따라 압력값에 차이가 있을 수 있으므로 내부압력 제어부는 한 개 이상의 압력계를 사용하여 측정되는 압력값들의 평균값을 계산할 수 있는 연산기능을 갖는 제어기를 포함하는 것도 가능하다.

그러므로, 본 발명에 따라 반응관(2) 내부와 외부에서의 압력차이, 즉 ｜Po - Pi｜값을 1 bar 이내로 유지함에 있어서, 외부영역(5)에서의 압력(Po)을 내부영역(4)과 공간적으로 연결하여 측정할 수 있는 최대의 압력값 Pi(max)와, 최저의 압력값 Pi(min) 사이에서 유지되도록 하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 따른 내부압력 제어부 및/또는 외부압력 제어부는 ｜Po - Pi｜값이 1 bar 이내에서 유지되게 하는 압력차조절수단(pressure-difference regulating means)을 포함하는 것이 필요하다.

상기 압력차조절수단은 내부압력 제어부 또는 외부압력 제어부 가운데에서 한 군데에만 포함될 수도 있고, 두 군데 모두에 제각각 포함될 수도 있으며, 두 제어부(30,31)에 공통으로 포함될 수도 있다.

단, 내부영역(4)의 위치에 따라 Pi 값이 변화할 수 있음을 고려하여, 내부영역(4) 공간 중에서 유동가스공급부(14), 반응가스공급부(15), 입자배출부(16), 내부영역 연결부 등과 같이 내부영역 상부(4c) 보다 압력이 높은 실리콘 입자들 층 내부, 특히 압력이 가장 높은 실리콘 입자들 층 하부에서의 Pi값으로 기준하는 경우에는 압력차조절수단이 Po ≤ Pi 이면서 0 bar < (Pi - Po) ≤ 1 bar 인 조건이 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 내부압력 제어부가 유동가스공급부(14) 또는 반응가스공급부(15) 또는 입자배출부(16) 또는 내부영역 연결부를 통하여 실리콘 입자들 층 내부와 공간상으로 연결되어 압력차조절수단이 외부영역에서의 압력(Po)과 내부영역에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar < (Pi - Po) ≤ 1 bar 범위 내에서 유지되게 할 수 있다.

반면, 내부영역(4) 공간 중에서 내부영역 상부(4c)에 공간상으로 연결되는 공간에서의 압력을 Pi값으로 기준하는 경우에는 압력차조절수단이 Pi ≤ Po 이면서 0 bar < (Po - Pi) ≤ 1 bar 인 조건이 유지되게 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 내부압력 제어부가 실리콘 입자의 유동층과 접촉하지 않는 가스배출부(17), 실리콘 종입자 주입부(18), 내부영역 연결부(24,25) 등을 통해 내부영역(4)과 공간상으로 연결되어 압력차조절수단이 외부영역에서의 압력(Po)과 내부영역에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar < (Po - Pi) ≤ 1 bar 범위 내에서 유지되도록 할 수 있다.

본 발명에 있어서, 압력차조절수단은 내부압력 제어부 또는 외부압력 제어부 가운데에서 한 군데에만 포함되거나, 두 군데 모두에 제각각 포함되거나, 두 군데에 공통으로 포함될 수 있게 상호 연결되어 상기 ｜Po - Pi｜값이 1 bar 이내에서 유지되게 하는 기능을 구현할 수 있다.

본 발명에 따라 압력차조절수단을 이용하여 외부영역(5)에서의 압력(Po)과 상기 내부영역(4)에서의 압력(Pi)의 차이를 1 bar 범위 내에서 유지하는 경우에 반응관(2) 내, 외부에 가해지는 압력의 차이가 적어 Pi 값이나 Po 값 모두 아주 높거나 낮아도 반응관(2)에 나쁜 영향을 미치지 않는다.

절대압력을 기준으로 할 때, 반응압력을 진공보다 최소 1 bar 이상 유지하는 것이 생산성 면에서 바람직하다.

단위시간당 몰(mole) 수 또는 질량 기준으로 유동가스(10)와 반응가스(11)의 공급속도는 압력에 거의 비례하여 증가한다.

따라서, 반응압력, 즉 Po 또는 Pi값이 증가할수록 상기 가스들을 실리콘 입자들 층 내부에서 각각의 공급온도로부터 반응온도수준까지 가열해야 하는 부담이 증가하게 된다.

그럼에도 불구하고, 반응가스(11)의 경우 초기분해온도인 약 300 ~ 350 ℃ 이상 예열하여 반응기에 공급하기 어려우며, 유동가스(10) 또한 유동층 반응기 외부에서 반응온도 또는 그 이상까지 예열하여 공급하기에는 불순물 오염 위험성이 크고, 유동가스공급부(14)의 보온도 힘들어 반응온도보다 낮은 온도까지 예열할 수밖에 없는 어려움이 존재한다.

그리고, 반응압력이 약 20 bar를 초과하는 경우에는 주어진 가열영역(Zh) 공간에 내부가열기(8a)를 가열용량이 최대가 되게 설치하여도 반응온도 유지에 필요한 열량 공급이 현실적으로 불가능해진다.

이러한 현실적인 제약을 고려하여, 상기 외부영역(5)에서의 압력(Po) 또는 내부영역(4)에서의 압력(Pi)이 절대압을 기준할 때 약 1 ~ 20 bar 범위 내에 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 내부압력 제어부 및 외부압력 제어부는 반응관(2) 내부와 외부의 압력 차이를 줄여 줄 수 있게 하는 압력차조절수단을 다음에 예시하는 바와 같이 다양하게 포함할 수 있다.

상기 압력차조절수단을 활용함으로써 반응관(2)의 안전성을 훼손시키지 않고 반응압력을 높게 설정할 수 있으므로 유동층 반응기의 생산성 향상과 안정성 확보를 동시에 달성할 수 있다.

예를 들자면, 상기 내부압력 제어부를 내부영역(4)의 어느 위치와 연결하여 구성하더라도, 내부영역(4)에서의 내부압력(Pi)과 외부영역(5)에서의 외부압력(Po)이 ｜Po* - Pi*｜≤ 1 bar 인 조건을 만족하는 제어 기준값인 Pi* 및 Po*로 각각 제어될 수 있게 내부압력 제어부와 외부압력 제어부가 별도의 압력차조절수단을 각각 포함하도록 구성하는 것이 가능하다.

이를 위해서, 상기 내부압력 제어부가 사전에 정해진 내부압력값인 Pi*로 유지할 수 있게 하는 압력차조절수단을 포함하도록 하고, 동시에 외부압력 제어부도 반응관(2) 내, 외부에서의 압력차이가 높이에 관계없이 ｜Po* - Pi*｜≤ 1 bar인 조건을 만족하는 외부압력값(Po*)이 유지되도록 하는 압력차조절수단을 포함하도록 구성할 수 있다.

마찬가지로, 상기 외부압력 제어부가 사전에 정해진 외부압력값(Po*)을 유지할 수 있게 하는 압력차조절수단을 포함하도록 하고, 동시에 내부압력 제어부도 반응관(2) 내부와 외부에서의 압력차이가 높이에 관계없이 ｜Po* - Pi*｜≤ 1 bar인 조건을 만족하는 내부압력값(Pi*)이 유지되게 하는 압력차조절수단을 포함하도록 구성하여도 좋다.

반면, 상기 내부압력 제어부를 내부영역(4)의 어느 위치와 연결하여 구성하더라도 내부압력 제어부가 사전에 정해진 내부압력값(Pi*)을 유지할 수 있게 하는 압력차조절수단을 포함하도록 하고, 상기 외부압력 제어부는 내부압력의 변화에 종속하여 반응관(2) 내부와 외부에서의 압력차이가 높이에 관계없이 ｜Po - Pi｜≤ 1 bar인 조건을 만족하도록 외부압력(Po)을 조절할 수 있는 압력차조절수단을 포함하도록 구성할 수 있다.

한편, 본 발명에서 외부영역에서의 압력(Po)과 내부영역에서의 압력(Pi)의 압력차를 1 bar 이내로 유지하기 위하여 압력차조절수단의 제어조건인 Pi* 및 Po* 값을 설정함에 있어서 반응관(2)의 실링부(41a, 41b)를 통한 불순물 성분의 이동 여부를 고려할 필요성도 있다.

본 발명에 따른 유동층 반응기를 설치하여 운전함에 있어서, 반응관(2)의 실링부(41a,41b)에서의 가스실링이 완벽하게 반응기를 조립하기 어려운 한계가 있고, 반응기 운전 도중에 반응관(2) 자체의 열팽창이나 실리콘 입자들(3)의 유동에 의하여 반응관(2)에 가해지는 전단력에 의해 실링부(41a,41b)에서의 실링 정도가 약해지는 현상이 발생할 수 있다.

본 발명에 따르면, 압력차조절수단의 제어조건인 Pi* 및 Po* 값을 제대로 설정하면 실링부(41a, 41b)를 통해 내부영역(4)과 외부영역(5) 사이에 불순물 성분이 이동하는 문제를 해소할 수 있다.

본 발명에 따르면, 내부영역 및 외부영역에서의 압력을 각각 제어하기 위하여 압력차조절수단에서의 압력제어조건을 배출가스(13)의 성분이나 외부영역(5)에 존재하는 가스의 성분분석에 기초하여 설정할 수 있다.

예를 들어, 상기 가스배출부(17) 또는 배출가스 처리부(34)를 통한 배출가스(13)의 성분분석과, 외부영역 연결부(28) 또는 불활성가스 연결부(26b)를 통한 외부영역에 존재하는 가스의 성분분석에 의하면, 실링부(41a,41b)를 통해 내부영역(4)과 외부영역(5) 사이에 불순물 성분이 이동하는 특성을 파악할 수 있다.

만일, 배출가스(13) 성분에 내부영역(4)에 공급되지 않는 불활성가스(12) 성분이 검출된다면, Po*값을 보다 낮게 설정하거나 상기 Pi* 값을 보다 높게 설정함으로써, 외부영역(5)으로부터 내부영역(4)에 불순물이 혼입되는 것을 줄이거나 방 지할 수 있다.

반면, 상기 외부영역(5)에서 배출되는 가스에 불활성가스(12)를 구성하는 성분 이외에 내부영역(4)에서의 배출가스(13)를 구성하는 성분이 검출되면, Po* 값을 보다 높게 설정하거나, 상기 Pi* 값을 보다 낮게 설정함으로써, 내부영역(4)으로부터 외부영역(5)에 불순물이 혼입되는 것을 줄이거나 방지할 수 있다.

이와 같이, 상기 압력제어수단의 제어조건을 적절히 선택한다면 유동층 반응기의 설치나 운전 도중에 반응관(2)의 실링부(41a, 41b)가 완벽하게 유지되지 않아도 두 영역 사이의 불순물 혼입을 최소화하거나 방지하는 것이 가능하다.

다만, 본 발명에 따른 압력차조절수단에서 Pi* 값 및 Po* 값을 어떻게 설정하더라도 ｜Po* - Pi*｜≤ 1 bar 인 조건을 만족시키도록 하여야 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 예로서, 상기 내부압력 제어부와 외부압력 제어부를 상호 연결하여 내부압력과 상기 외부압력의 압력차 값, △P =｜Po - Pi｜을 측정하고, 본 발명에 따른 압력차조절수단이 내부영역(4)의 어느 위치에서의 압력값 Pi에 대해서도 △P값이 1 bar 이내 범위에서 유지되게 내부압력 제어부 및/또는 외부압력 제어부를 수동, 반자동 또는 자동으로 조절하도록 구성할 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 예로서, 본 발명에 의한 압력차조절수단이 내부압력 제어부에 포함되는 연결관과 외부압력 제어부에 포함되는 연결관을 공간상으로 상호 연결시키는 평형관(equalizing line)을 포함하도록 구성할 수 있다.

본 발명에서 상기 내부압력 제어부에 포함되어 평형관을 구성하는 연결관은 내부영역(4)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 내부영역 연결부(24,25)와, 유동가스공급부(14,14')와, 반응가스공급부(15)와, 입자배출부(16)와, 가스배출부(17)와, 종입자 주입부(18) 등과 같이 내부영역(4)과 공간상으로 직, 간접적으로 연결될 수 있는 곳에서 선택하여 설치할 수 있다.

한편, 상기 외부압력 제어부에 포함되어 평형관을 구성하는 연결관은 외부영역(5)에 공간상으로 직, 간접적으로 노출되는 반응기 셸(1)에 설치된 외부영역 연결부(28)와, 불활성가스 연결부(26a,26b)와 같이 외부영역(5)과 공간상으로 직,간접적으로 연결될 수 있는 곳에서 선택하여 설치할 수 있다.

상기 내부압력 제어부와 외부압력 제어부를 공간상으로 연결되게 하는 평형관은 상호 연결되는 두 영역(4,5)에서의 압력차가 거의 0이 되게 항상 유지시키므로 가장 간단한 형태의 압력차조절수단이라 할 수 있다.

이와 같은 장점에도 불구하고, 상기 평형관만으로 압력차조절수단을 구성하면 상호 연결되는 두 영역(4,5)의 가스 및 불순물 성분들이 상호 혼합될 위험성이 있다.

그러면, 외부영역(5)에서의 단열재 및 보조가열기로부터 배출되는 불순물이 내부영역(4), 특히 다결정 실리콘 입자를 오염시킬 수 있거나, 내부영역(4)으로부터의 실리콘 분말, 미반응 반응가스 또는 반응부산물 성분들이 외부영역(5)을 오염시킬 가능성이 있다.

그러므로, 상기 평형관이 압력차조절수단으로 사용되는 경우에는, 상호 연결 되는 두 영역(4,5)의 가스 및 불순물 성분들이 상호 혼합될 위험성을 줄이거나 방지할 수 있게 하는 압력균등화수단을 평형관에 추가하여 설치하여도 좋다.

상기 압력균등화수단은 상호 연결되는 두 영역(4,5)의 균등한 압력유지 효과를 훼손시키지 않고, 가스 및 불순물 성분들의 상호 혼합을 방지할 수 있는 체크밸브, 압력균등화 밸브, 3-웨이 밸브, 입자분리용 필터, 댐핑 용기, 충진층, 피스톤, 제3의 유체, 분리막을 이용하는 압력보상장치 중에서 선택된 하나 이상으로 구성될 수 있다.

이 밖에도 상기 압력차조절수단에는 압력이나 유량의 조절 및 제어가 가능한 수동밸브가 포함되며, 설정된 압력 또는 압력차에 의하여 (반)자동으로 조절기능을 발휘하는 (반)자동밸브도 포함 가능하다.

이러한 밸브들은 압력 또는 압력차 값을 나타내는 압력계와 지시계와 함께 연결관과 결합되어 설치 가능하다.

상업적으로 구할 수 있는 압력계와 지시계는 아날로그형, 디지털형, 또는 이들의 혼합형으로 구분되며, 신호전환기(signal converter)나 신호처리기(signal processor) 등의 데이터 처리수단과 연산기능을 갖춘 로컬 제어기, 분산제어기 또는 중앙 제어기와 연결되어 데이터 저장 및 제어가 가능한 시스템으로 구성 가능하다.

반응영역(Zr)에서 필요한 열량을 공급하기 위해 가열영역(Zh)에 설치되는 내부가열기(8a)의 선택, 설계 및 구성, 조작 및 제어가 중요한데, 이와 관련되어 산업적으로 사용되는 전기저항가열 기술이 본 발명의 실시에도 활용할 수 있다.

예를 들어, 인용문헌 [M. Orfeuil, "Electric Process Heating: Technologies/Equipment/Applications," Battelle Press, 1987 (ISBN 0-935470-26-3)]과 여기서 인용된 참고문헌들에 기술된 바와 같은 전기저항가열과 관련된 선행기술이 본 발명에서도 사용될 수 있다.

이러한 선행기술을 활용함에 있어서, 본 발명에서의 내부가열기(8a)는 최소한 일부가 유동상태를 지니는 고순도의 실리콘 입자들(3)의 층과 접촉하면서 가열영역(Zh) 내부에 설치된다는 점을 고려할 필요가 있다.

반응관(2) 내부에서 불규칙적인 유동상태를 나타내기도 하는 실리콘 입자들(3)의 움직임과 팽창된 가스 기포들의 폭발 등에 수반되는 유동층의 충격, 응력 및 진동에 견디는 튼튼한 구조체이면서 전기연결부(9,9',9a)와 전기적으로 연결되게 설치되어 저항가열될 수만 있다면, 본 발명에서 사용될 수 있는 내부가열기(8a)는 형태에 있어서 별다른 제약은 없다.

따라서, 이 내부가열기(8a)를 구성하는 가열기 단위는 전기저항가열이 발생하는 저항체(38)를 포함해야 하고, 입자들의 유동층 내부에 설치될 수 있는 기계적 안정성을 지녀야 하며, 동시에 가열영역(Zh)에서 끊임없이 접촉하게 되는 실리콘 입자들(3), 유동가스(10) 그리고 필요에 따라 사용되는 충진물(22)을 불순물로 오염시키지 않도록 이루어져야 한다.

본 발명에 사용될 수 있는 가열기 단위에 포함되어 전기저항가열이 발생하는 저항체(38)는 두께방향의 단면이 원, 타원 또는 다각형인 로드(rod), 와이어(wire), 필라멘트(filament), 바(bar), 스트립(strip) 및 리본(ribbon)과, 단면 이 동심원, 동심타원 또는 동심다각형인 도관(conduit), 튜브(tube), 실린더(cylinder) 및 덕트(duct) 중에서 선택된 형태를 지니며, 길이방향에 따라 상기 단면의 형태 그리고/또는 크기가 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 형태를 지닐 수 있다.

상기 저항체(38)를 이루는 재료의 성분은 전기의 흐름에 의해 물성의 두드러진 변화가 없고 녹는점이 반응온도보다 최소 약 100 ℃ 이상 높으며 가열온도 범위에서의 비저항(resistivity) 값이 약 1 μohm-cm 이상 0.1 ohm-cm 이하의 범위에 포함되는 것이 좋은데, 상기 인용문헌에 기술된 바와 같은 저항체(38)의 성분들이 본 발명에서도 사용될 수 있다.

첫째, 상기 저항체(38)를 이루는 재료는 성분은 흑연, 탄화규소 및 실리콘 가운데에서 선택된 하나 또는 두 가지를 포함할 수 있다.

전기저항가열기의 저항체(38)로 많이 쓰이는 흑연은 순수 성형물 형태 또는 복합체(composite)형태로 성형되어 필요한 길이, 단면 및 형태를 갖도록 가공한 다음 사용할 수 있지만, 흑연 표면으로부터 입자불순물이 생성되는 것을 방지하기 위해 표면에 약 50 ~ 100 μm 이상 두께의 탄화규소 층이 생기게 처리하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 실리콘 단결정 성장장치에서 실리콘 용융체 도가니의 가열 용도로 사용되는 저항체(38)와 같이, 직경이 큰 흑연관 부분에 민더링 슬롯(meandering slot)이 생기게 가공한 표면에 탄화규소 층을 형성시켜 저항체(38)로 사용할 수 있다.

고순도의 실리콘 입자들(3) 층 내부에 설치되는 내부가열기(8a)용 저항체(38)로 실리콘 성분이 바람직할 수 있지만, 고순도의 실리콘은 낮은 온도 영역에서 비저항이 너무 높으므로 불순물성분으로 도핑시키거나 비저항이 낮은 저항체(38) 재료들과 복합체 형태로 구성하거나 낮은 온도에서 저항가열이 잘 되는 성분(들)과 다수의 층을 갖는 형태로 구성하여 사용할 수 있다.

한편, 전기저항가열에 흔히 사용되는 저항재료의 성분으로 금속이나 합금을 포함하는 경우가 흔하다.

이러한 저항체(38)를 이루는 재료의 성분은 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금 성분을 포함할 수도 있다.

그리고, 비탄소계 세라믹 성분과 금속원소를 함께 포함하면서 저항체(38)를 이루는 재료의 성분은 몰리브덴규소화물(Mo-Si), 란탄늄크롬화물(La-Cr-O) 및 지르코니아 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함할 수도 있다.

내부가열기(8a)의 가열기 단위의 크기에 관해서는 가열영역(Zh) 공간 내부에 설치되어 반응가스(11)와 접촉하지 않으며, 실리콘 입자들(3)의 유동에 의한 충격, 응력 및 진동에 견디는 튼튼한 구조체이면서 전기연결부(9,9',9a)와 전기적으로 연결되게 설치되어 저항가열될 수만 있다면 별다른 제약 요인을 고려할 필요는 없다.

그러나, 개별적인 내부가열기 단위의 성능은 사용되는 재료뿐만 아니라 전류가 흐르는 단면적 값에 직접 영향을 받는 전기저항값과 같은 전기적 특성에 의해 좌우되므로 저항가열특성을 최적화하는 것이 바람직하다.

이 가열기 단위를 이루는 저항체(38)는 전극부를 포함하는 전기연결부(9,9',9a)를 통해 전력공급원(E)과 전기적으로 연결된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 상기 저항체(38)를 이루는 성분의 대부분이 고순도의 실리콘 입자들(3)을 오염시키는 불순물 성분이므로 실리콘 입자들(3)과 직접 접촉하지 않도록 하는 것이 중요하다.

그러므로, 상기 저항체(38)가 실리콘 입자들(3)과 직접 접촉하지 못하게 상기 저항체(38) 외부에 보호관(40)을 설치하거나; 상기 저항체(38)의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층(39)을 형성시키거나; 또는 상기의 분리층(39)이 형성된 상기 저항체(38)의 외부에 상기 보호관(40)을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성할 수 있다.

저항체(38) 외부에 보호관(40)을 설치하는 경우는 크게 두 가지로 대별될 수 있는데, W-형 또는 도 1 내지 도 3에 예시된 U-형의 내부가열기(8a) 단위와 같이 저항체(38) 길이방향의 일부 또는 전체를 두께방향으로 에워싸는 형태로 보호관(40)이 설치되는 경우와, 도 2, 도 4 내지 도 5에 예시된 삽입형(immersion-type)의 내부가열기(8a) 단위와 같이 저항체(38)가 밀폐된 보호관(40) 속에 위치되도록 복사관(radiation tube) 형태로 보호관(40)을 설치할 수도 있다,

U-형 또는 W-형 가열기 단위(8a)의 경우, 보호관(40)은 저항체(38)의 형태에 준하여 튜브나 도관(conduit) 또는 성형품 등 다양한 형태를 지니면서 저항체(38)와 접촉하거나 공간적으로 거리를 두어 설치될 수 있다.

그리고, 저항체(38) 및/또는 보호관(40)은 하나의 몸체로 구성하거나 다수의 요소부분들을 조립하여 구성할 수 있다.

예를 들어, 도 1은 전기연결부(9), 즉 전극부에 수직하게 설치되는 2개의 수직 요소부분과 다리(bridge) 역할의 수평 요소부분이 전기적으로 연결되게 하여 가열기 단위가 구성되는 경우를 개략적으로 예시하고 있다.

저항체(38) 및/또는 보호관(40)을 이루는 다수의 요소부분들의 연결에는 (i) 저항체(38)의 연결부위가 상호 결합될 수 있게 기계적으로 가공하거나, (ii) 용접수단 또는 플라즈마/아크 등을 이용하여 녹여 붙이거나, (iii) 연결용 피팅 또는 부품으로 상호 결합되게 하거나, (iv) 상기한 방법을 복합적으로 응용하는 방법 등이 활용될 수 있다.

상기 요소부분들은 동일 규격과 재료를 사용하여도 좋지만, 서로 다른 규격과 재료를 사용하는 경우에는 해당 재료의 온도에 따른 전기적 성질을 고려하여 단면적, 길이 등과 같은 물리적 사양을 선정하고, 요소별 양쪽 끝부분이 수월하게 체결되도록 가공한다면, 본 발명을 실시하는 데에 아무런 문제가 없다.

삽입형(immersion-type) 가열기 단위(8a)의 경우 필라멘트/와이어 복사가열기(filament/wire radiators), 석영관 복사가열기(quartz tube radiator), 세라믹 복사가열기(ceramic radiator) 등을 포함하는데, 밀폐 분위기 하에서 저항체(38)를 안전하게 보호할 수 있어 저항체(38) 선택이 수월하다.

이와 같이 본 발명에 따른 가열기 단위(8a)에 사용될 수 있는 보호관(40)의 두께방향 단면은 동심원, 동심타원 또는 동심다각형 등과 같이 다양한 형태를 지니게 구성될 수 있다.

이러한 보호관(40)은 실리콘 입자들(3)과 접촉하게 되므로 내부가열기(8a)에 의한 실리콘 입자들(3)의 불순물 오염을 방지할 수 있는 성분으로 이루어지는 분리층(39)이 되어야 한다.

그리고, 상기 보호관(40)을 이루는 분리층(39)은 저항체(38)에 흐르는 전류가 고온에서 전기전도성을 지니는 고순도의 실리콘 입자들(3) 쪽으로 흐르지 않도록 전기절연성 역할도 함께 수행하는 것이 바람직하다.

별도의 보호관(40)을 사용함이 없이 가열기 단위(8a)가 실리콘 입자들(3)과 접촉하면서 실리콘 입자들(3) 및 유동가스(10)를 가열하기 위해서는 불순물 오염을 방지할 수 있게 저항체(38) 표면에 하나의 또는 다수의 분리층(39)을 형성시키는 것이 바람직하다.

그리고, 보호관(40)과 마찬가지로, 상기 분리층(39)도 저항체(38)에 흐르는 전류가 고온에서 전기전도성을 지니는 고순도의 실리콘 입자들(3) 쪽으로 흐르지 않도록 전기절연 역할도 함께 수행하는 것이 바람직하다.

이 경우 분리층(39)은 저항체(38) 둘레에 설치되는 보호관(40)에 해당하는 역할을 담당하게 된다.

한편, 본 발명에서는 실리콘 입자들(3)의 불순물 오염과 전기절연성을 보다 안전하게 확보할 수 있게, 상기와 같이 표면에 분리층(39)이 형성된 저항체(38)의 외부에 보호관(40)을 설치하여 가열기 단위(8a)를 구성할 수도 있다.

이와 같이 저항체(38) 표면에 형성된 분리층(39) 외부에 또 다른 분리층의 역할을 담당하는 보호관(40)을 추가적으로 설치하는 것은 가열기 단위(8a)의 길이방향 전체에 실시할 수도 있고, 또는 필요한 부분에 한정하여 실시하여도 좋다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 내부가열기(8a)의 가열기 단위는 분리층(39)의 개수, 보호관(40)의 사용 여부 등에 따라 무한히 많은 형태로 구성될 수 있다.

예를 들어, 여러 가지 응용 가능 형태 가운데에서 저항체(38) 및/또는 보호관(40)의 단면 형태가 가장 기본적인 형태, 즉, 원 또는 동심원인 경우에 있어서도 가열기 단위의 단면이 도 6의 (a)~(i)에 예시한 바와 같이 다음과 같이 다양하게 구성될 수 있다:

도 6의 (a)는 로드형 저항체(38) 표면에 두 가지의 분리층(39' 39")을 형성시키는 형태; 도 6의 (b)는 로드형 저항체(38)와 보호관(40) 내부가 서로 접촉하도록 조립하는 형태; 도 6의 (c)는 로드형 저항체(38)를 보호관(40) 내부에 거리를 두고 삽입하는 형태; 도 6의 (d)는 분리층(39a)을 형성시킨 로드형 저항체(38)와 외부 표면에 분리층(39b)을 형성시킨 보호관(40) 내부가 서로 접촉하도록 조립하는 형태; 도 6의 (e)는 분리층(39a)을 형성시킨 로드형 저항체(38)를 외부 표면에 분리층(39b)을 형성시킨 보호관(40) 내부에 거리를 두고 삽입하는 형태; 도 6의 (f)는 분리층(39a)을 형성시킨 로드형 저항체(38)를 내부 표면에 분리층(39b)을 형성시킨 보호관(40) 내부에 거리를 두고 삽입하는 형태; 도 6의 (g)는 튜브형의 저항 체(38) 외부 표면에 두 가지의 분리층(39,39')과 내부 표면에 한 가지의 분리층(39")을 형성시키는 형태; 도 6의 (h)는 외부 표면에 분리층(39a,39a')을 형성시킨 튜브형 저항체(38)와 외부 표면에 분리층(39b)을 형성시킨 보호관(40) 내부가 서로 접촉하도록 조립하는 형태; 도 6의 (i)는 외부 및 내부 표면에 분리층(39a) 및 분리층(39a')을 각각 형성시킨 튜브형 저항체(38)를 보호관(40) 내부에 거리를 두고 삽입하는 형태를 예시하고 있다.

이와 같은 방법 이외에도, 도 6에 예시된 많은 요소기술의 조합을 통해 로드 또는 튜브와 다른 종류의 단면 형태를 지니는 저항체(38)로부터의 불순물 오염을 방지할 수 있게 하는 U-형 또는 W-형의 가열기 단위의 구성이 가능한 것이다.

본 발명에서 사용될 수 있는 복사관 형태의 내부가열기(8a)도 산업적으로 활용되는 다양한 방법으로 구성될 수 있는데, 도 7의 (a)~(d)는 보호관(40) 내부에 설치될 수 있는 저항체(38)의 단면을 개략적으로 예시하고 있다.

도 7의 (a)는 보호관(40) 내부에서 절연재(42)에 의해 지지되는 와이어, 로드 또는 필라멘트 형태의 저항체(38)의 단면; 도 7의 (b)는 보호관(40) 내부에서 단면이 사각형이 되게 가공한 저항체(38)의 단면; 도 7의 (c)는 내부 표면에 분리층(39b)이 형성된 보호관(40) 내부에서 분리층(39a)에 의해 보호받는 단면이 반원이 되게 가공한 저항체(38)의 단면; 도 7의 (d)는 외부 표면에 분리층(39b)이 형성된 보호관(40) 내부에서 토막 난 튜브 형태가 되게 가공한 저항체(38)의 단면을 예시하고 있는데, 저항체(38) 및/또는 보호관(40)의 표면에 분리층(39)이 추가로 형성될 수 있다,

U-형 또는 W-형의 가열기 단위에서와 마찬가지로 복사관 형태의 가열기 단위에 포함되는 저항체(38)의 경우에도 표면이 분리층(39)으로 코팅되게 하여 불순물의 오염 및/또는 저항체(38)의 부식을 최소화하여도 좋다.

복사관 형태의 가열기 단위 별로 전기 입력부와 출력부가 함께 설치되는 것이 필요하고, 도 7의 (a)~(d)에 예시된 바와 같은 저항체(38) 요소들은 보호관(40) 내부에서 전기적으로 서로 연결되어 입력부를 통해 들어온 전류가 출력부를 통해 흘러나가도록 하는 것이 필요하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 가열기의 형태에 관계없이 저항체(38) 및/또는 보호관(40)의 형태는 선택의 폭이 아주 넓지만 가열기 단위에 의한 불순물 오염이 최대한 방지될 수 있도록 분리층(39)을 잘 형성시키는 것이 본 발명에 따른 내부가열기 단위를 구성함에 있어 아주 중요하다.

본 발명에 따른 분리층(39) 및/또는 보호관(40)은 1가지 또는 2가지 이상의 종류의 층으로 이루어질 수 있지만, 6가지 이상의 너무 많은 종류의 층이 이루어지게 하면, 분리기능성분 사이의 열팽창 차이가 심각해지고, 분리층(39)의 형성에 시간, 인력 및 비용이 많이 소모되어 경제적으로도 바람직하지 않으므로, 상기 분리층(39) 및/또는 상기 보호관(40)이 분리기능성분으로 이루어진 1가지 이상 5가지 이하 종류의 층으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 분리기능성분은 저항체(38)로부터 실리콘 입자들(3) 및/또는 유동가스(10)에 불순물이 확산되는 것을 방지하는 성분을 포함하는 것이 필요하다.

한편, 본 발명에 따른 내부가열기(8a)에 공급된 전류가 저항체(38)를 통해서 만 흐르지 않고 고온에서 전기전도성을 지니는 고순도의 실리콘 입자들(3) 쪽으로 흐르게 되면 실리콘 입자들(3)이 순간적으로 녹거나 서로 엉겨 붙는 바람직하지 못한 현상이 발생할 수 있다.

이와 같은 문제를 방지할 수 있게, 본 발명에서는 상기 분리기능성분이 전기절연성분을 포함하도록 하여 상기 분리층(39) 및/또는 상기 보호관(40)이 최소 한 가지 또는 두 가지 이상의 전기절연층으로 이루어지도록 한다.

본 발명에 의한 분리층(39) 및/또는 보호관(40)을 이루는 분리기능성분은 저항체(38)에 포함된 분순물 성분이 실리콘 입자들(3) 및/또는 유동가스(10)로 확산되는 것을 방지할 수 있는 층 그리고/또는 전기절연층을 이룰 수 있는 여러 가지 성분들 가운데에서 선택될 수 있다.

분리기능성분의 예로서, 실리콘(Si) 또는 붕소(B)와 같이 상온에서 비금속성질을 지니는 원소의 질화물, 산화물, 탄화물 또는 산화질화물을 포함할 수 있다.

그리고, 다른 종류의 분리기능성분으로서, 상온에서 금속성질을 지니는 원소들, 즉 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상 금속원소의 질화물, 산화물, 규소화물, 붕소화물, 탄화물, 산화질화물 또는 산화규소화물을 포함할 수 있다.

질화물계 분리기능성분들로서는 원소결합을 기준으로 Si-N, W-N, Os-N, Ta- N, Mo-N, Nb-N, Ir-N, Ru-N, Tc-N, Hf-N, Rh-N, V-N, Cr-N, Zr-N, Pt-N, Th-N, Ti-N, Lu-N, Y-N 등과 같은 단일성분 질화물과, W-V-N, W-Si-N, Ta-Si-N, Ti-Si-N, Ti-C-N, Hf-Ta-Mo-N 등과 같은 혼합금속 질화물이 포함될 수 있다.

이러한 질화물계 성분들은 녹는점이 대부분 2,000 ℃ 이상이고 기타 물리적 성질이 저항체(38)와 차이가 있으며 저항체(38)로부터의 불순물 성분과 결합할 수 있으므로 분리층(39)에 사용될 수 있는데, 질화물계 분리층(39)의 질소성분이 가열영역(Zh)을 오염시킬 위험성도 크지 않으므로 단일 또는 다수의 분리층(39)에 사용될 수 있고, Si-N 결합을 갖는 질화규소와 같이 전기절연성을 지니는 성분도 있어 산화물계, 산화질화물계, 탄화물계, 규소화물계 또는 산화규소화물계 분리층(39)과 함께 가열기 단위를 형성할 수도 있다.

산화질화물(oxynitride) 분리기능성분들로서는 원소결합을 기준으로 Si-O-N, W-O-N, Os-O-N, Ta-O-N, Mo-O-N, Nb-O-N, Ir-O-N, Ru-O-N, Tc-O-N, Hf-O-N, Rh-O-N, V-O-N, Cr-O-N, Zr-O-N, Pt-O-N, Th-O-N, Ti-O-N, Lu-O-N, Y-O-N 등과 같은 단일성분 산화질화물과, Si-Al-O-N, Hf-Zr-O-N, Mo-W-O-N, V-Mo-W-O-N 등과 같은 혼합금속 산화질화물이 포함될 수 있다.

이러한 산화질화물계 성분들은 녹는점이 대부분 2,000 ℃ 이상이고 기타 물리적 성질이 저항체(38)와 차이가 있으며 저항체(38)로부터의 불순물 성분과 결합할 수 있으므로 분리층(39)에 사용될 수 있는데, 산화질화물계 분리층(39)의 질소 및 산소 성분이 석출부를 오염시킬 위험성도 크지 않으므로 단일 또는 다수의 분리층(39)에 사용될 수 있고, Si-O-N 결합을 갖는 산화질화규소와 같이 전기절연성을 지니는 성분도 있어 질화물계, 산화물계, 탄화물계, 규소화물계 또는 산화규소화물계 분리층(39)과 함께 가열기 단위를 형성할 수도 있다.

산화물(oxide) 분리기능성분들로서는 원소결합을 기준으로 Si-O, W-O, Ta-O, Nb-O, Hf-O, Zr-O, Ti-O 등과 같은 단일성분 산화물과, W-V-O, Ti-Si-O, Sr-Ti-O, Sr-Ti-Nb-O, Sr-La-Al-O, La-Mn-O, Sr-Hf-O, Nb-Ta-O, Ba-Zr-O, Ba-Mo-O, Ba-Ce-O, Ba-Ti-O, Ca-Ti-O, Sr-Zr-O, Sr-Mn-O, Hf-Ta-Mo-O, Y-Zr-O 등과 같은 혼합금속 산화물이 포함될 수 있다.

이러한 산화물계 성분들은 녹는점이 대부분 1,420 ℃ 이상이고 기타 물리적 성질이 저항체(38)와 차이가 있으면서 저항체(38)로부터의 불순물 성분과 결합할 수 있으며 전기절연성을 나타내는 경우가 많으므로 분리층(39)에 사용될 수 있는데, 산화물계 분리층(39)의 산소성분이 가열영역(Zh)을 오염시킬 위험성도 크지 않으므로 단일 또는 다수의 분리층(39) 또는 전기절연층으로 사용될 수 있고, 질화물계, 산화질화물계, 탄화물계, 규소화물계 또는 산화규소화물계 분리층(39)과 함께 가열기 단위를 형성할 수도 있다.

탄화물(카바이드; carbide) 분리기능성분들로서는 원소결합을 기준으로 Si-C, W-C, Os-C, Ta-C, Mo-C, Nb-C, Ir-C, Ru-C, Tc-C, Hf-C, Rh-C, V-C, Cr-C, Zr-C, Pt-C, Th-C, Ti-C, Lu-C, Y-C 등과 같은 단일성분 탄화물과, Si-W-C, Ta-Hf-C, Si-Ti-C 등과 같은 혼합금속 탄화물과, W-C-N, Ta-C-N, Zr-C-N, Ti-C-N 같은 전이금속 탄화질화물(carbon nitride) 등이 포함될 수 있다.

이러한 탄화물계 성분들은 녹는점이 대부분 2,000 ℃ 이상이며 기타 물리적 성질이 저항체(38)와 차이가 있으며 저항체(38)로부터의 불순물 성분과 결합할 수 있으므로 분리층(39)에 사용될 수 있는데, 탄화물계 분리층(39)의 탄소 성분이 가열영역(Zh)을 오염시킬 위험성이 크기 때문에 단일 분리층(39)으로 보다는 질화물계, 산화질화물계, 규소화물계 또는 산화규소화물계 분리층(39)에 의하여 가열영역(Zh)와 차단되게 하여도 좋다.

규소화물(silicide) 분리기능성분들로서는 원소결합을 기준으로 W-Si, Os-Si, Ta-Si, Mo-Si, Nb-Si, Ir-Si, Ru-Si, Tc-Si, Hf-Si, Rh-Si, V-Si, Cr-Si, Zr-Si, Pt-Si, Th-Si, Ti-Si, Lu-Si, Y-Si, Mg-Si 등과 같은 단일성분 규소화물과, W-V-Si, W-Ti-Si-N, Ti-Zr-Si-C, Hf-Ta-Si-N 등과 같은 혼합금속 규소화물이 포함될 수 있으며, 이와 같은 규소화물에 산소원소가 추가된 산화규소화물도 규소화물계 성분에 포함될 수 있다.

이러한 규소화물계 또는 산화규소화물계 성분들도 녹는점이 1,420 ℃ 이상이 되게 구성원소의 함량을 조절할 수 있고 물리적 성질이 저항체(38)와 차이가 있으며 저항체(38)로부터의 불순물 성분과 결합할 수 있으므로 단일 또는 다수의 분리층(39)에 사용될 수 있고, 질화물계, 산화물계, 산화질화물계 또는 탄화물계 분리층(39)과 함께 가열기 단위를 형성할 수도 있다.

그리고, 분리층(39)을 이루는 분리기능성분에는 붕소(boron)의 질화물, 산화물, 탄화물 또는 산화질화물 등과 같이 뛰어난 물성을 갖는 붕소 함유 성분도 포함될 수 있는데, 고온의 반응온도에서 붕소계 분리층(39)의 붕소성분이 가열영역(Zh)을 오히려 오염시킬 위험성도 있으므로, 단일 분리층(39)으로 보다는 질화물계, 산 화질화물계, 규소화물계 또는 산화규소화물계 분리층(39)에 의하여 가열영역(Zh)과 차단되게 해야 하는 부담이 뒤따른다.

본 발명에 따라 저항체(38)의 표면에 분리층(39)을 형성시켜 가열기 단위를 구성하는 것은 다양한 방법으로 실시될 수 있다.

예를 들어, 앞에서 설명한 바와 같은 분리기능성분으로 이루어진 분리층(39) 구성단위로 본 발명에서 사용되는 저항체(38)의 표면을 동축 다중관 형태로 에워싸도록 하여 분리층(39)을 형성시켜 가열기 단위를 구성할 수 있다.

이와 같은 분리층(39) 구성단위의 조립방식을 사용하여 분리층(39)을 형성시키는 경우에는 선택된 분리기능성분 각각에 대하여 사전에 정해진 크기, 형태 및 개수로 분리층(39) 구성단위를 먼저 코팅하거나 제조한 다음, 저항체(38)를 층별로 에워싸도록 조립하거나 성형하여 저항체(38) 외부에 설치되는 분리층(39)을 완성함으로써, 가열기 단위를 구성할 수 있는 것이다.

이 방법은 다수의 분리층(39) 구성단위를 조립하여 가열기 단위를 구성하는 경우에 적합한데, 분리층(39) 구성단위는 두께방향으로 분리기능성분을 지니는 하나 또는 다수의 분리층(39)으로 이루어지고 단면이 원, 다각형, 동심원 또는 동심다각형 형상을 지니게 따로 제작되어 별도로 준비된 저항체(38)의 표면을 에워싸게 조립할 수 있는 단위를 포함한다.

이 방법에 따르면, 저항체(38) 표면과 분리층(39) 사이, 분리층(39)과 분리층(39) 사이 또는 분리층(39) 구성단위 사이에 미세한 공간이 존재할 수 있지만, 본 발명에 따라 가열기 단위의 기능을 수행함에 있어 장애요인이 되지는 못한다.

이와는 달리, 선택된 분리기능성분 각각에 대하여 사전에 정해진 두께로 상기 저항체(38)의 표면에 직접 코팅하면서 상기 분리층(39)을 형성하여도 좋은데, 이와 같은 분리층(39)의 직접 코팅방식을 응용하면, 다수의 층으로 이루어지는 분리층(39)을 동일한 코팅장치에서 순차적으로 형성시킬 수도 있고, 별도의 코팅장치를 이용하여 형성시킬 수도 있다.

이 방법에 따르면, 저항체(38) 표면과 분리층(39) 사이 또는 분리층(39)과 분리층(39)의 사이에 미세한 공간이 없이 필요한 분리층(39)을 치밀하게 형성시킬 수 있어서 본 발명에 따라 가열기 단위의 기능을 수행함에 있어 장애요인이 되지는 못한다.

한편, 앞에서 설명한 바와 같은 분리층(39) 구성단위의 조립방식과 분리층(39)의 직접 코팅방식을 함께 이용하여 표면에 분리층(39)이 형성된 가열기 단위를 구성하는 것도 가능하다.

그리고, 본 발명에 따라 저항체(38) 표면에 분리층(39) 전체 또는 일부를 형성하는 것을 별도의 반응기나 코팅장치에서 실시하여도 좋지만, 본 발명에서 사용되는 유동층 반응기 또는 이용 가능한 벨자형(bell-jar type) 재래식 석출반응기의 내부공간에서 실시할 수도 있다.

이때, 저항체(38)를 반응기의 전극부에 연결하고, 이 전극부에 전기를 공급하여 저항체(38)를 가열하며, 석출반응기 내부에 분리층(39) 형성용 원료가스를 공급함으로써, 저항체(38)의 표면에 분리층(39)을 형성시켜, 가열기 단위를 제조할 수 있다.

또한 저항체(38)의 표면에 분리층(39)의 일부를 별도의 장치에서 형성시키고 미완성 상태의 가열기 단위를 준비한 다음 본 발명에서 사용되는 석출반응기 또는 재래식 석출반응기의 내부에서 나머지 분리층(39)을 추가로 형성시킬 수도 있다.

이 경우, 하나 또는 다수의 미완성 가열기 단위를 전극부와 연결하여 석출반응기 내부에 위치시키고, 전극부를 통해 전기를 공급하여 미완성 가열기 단위를 가열하며, 석출반응기 내부에 분리층(39) 형성용 원료가스를 공급함으로써, 분리층(39) 형성을 완성함으로써 본 발명에서 사용될 수 있는 가열기 단위를 제작할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따라 단일 또는 다수의 층으로 이루어지는 분리층(39)을 형성함에 있어서 사용될 수 있는 분리층 형성방법으로는, (i) 물리적 기상증착법(Physical Vapor Deposition; PVD)(스퍼터링 증착법(sputtering deposition), 펄스 레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition), 이온주입법, 이온 플레이팅 등 포함); (ii) 화학적 기상증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD)(상압 CVD, 유기 금속 CVD(Metallic Organic CVD), Plasma-Enhanced CVD(PECVD) 등 포함); (iii) 각종 스프레이(spray)법과 에어로졸 증착법(aerosol deposition)을 포함하는 용융체 분무법(Melt Spray Coating); (iv) 열반응석출확산법(Thermo-Reactive Deposition and Diffusion; 용융염법 및 분말법); 그리고 (v) 졸-젤법 및 용액법 등과 같은 다양한 코팅기술들 가운데에서 선택되어 활용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 분리층(39) 두께의 합을 1 ㎛ ~ 5 mm의 범위 내에 포함되도록 하거나 그리고/또는 상기 보호관(40)의 두께를 1 mm ~ 20 mm의 범위 내 에 포함되도록 하는 것이 좋다.

분리층(39) 두께의 합이 1 ㎛보다 적으면 분리기능성분의 활용 목적을 이루기 어려우며, 반면 두께의 합이 5 mm보다 두꺼우면 분리층(39) 형성의 부담이 너무 커지고 열팽창 차이에 의한 층 분리가 발생할 수 있는 위험이 높아져 보호관(40)을 사용하는 것이 오히려 편리해진다.

한편, 보호관(40)의 경우에는 두께의 합이 1 mm보다 적으면 실리콘 입자들(3)과 접촉이나 외부 충격에 의해 파손될 위험성이 크며, 두께의 합이 20 mm보다 두꺼우면 가열영역(Zh)에서 내부가열기(8a)가 차지하는 공간이 불필요하게 커지고 실리콘 입자들(3)의 가열효율 면에서도 바람직하지 못하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 분리층(39) 및/또는 보호관(40)을 이루는 분리기능성분, 분리층(39)의 수, 물리적 사양 등의 선택은 별도의 예비실험을 통해 불순물 확산 방지 효율, 전기절연성, 물리적 안정성 등을 테스트하여 결정할 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이, 저항체(38)의 표면에 분리층(39)을 형성시켜 실리콘 입자들(3)의 불순물 오염을 보다 완전하게 방지하기 위해서는 상기 분리층(39)이 실리콘을 분리기능성분으로 하는 실리콘층을 1 ㎛ ~ 5 mm 범위 내의 두께로 추가로 포함하도록 할 수도 있다.

이와 같이 분리층(39)에 실리콘층을 추가하는 것의 필요성 여부와, 필요시 추가되어야 할 실리콘층의 두께 및 형성 위치 등은 별도의 예비실험을 통해 결정할 수 있다.

필요한 경우, 실리콘층을 분리층(39)에 추가시키는 것은 실리콘 석출용 반응가스(11)를 사용하여 본 발명에 의한 석출반응기 또는 선행기술에 의하여 제작, 설치되어 이용 가능한 재래식 석출반응기 내에서 실시하여도 좋고, 별도의 코팅 또는 박막 형성 또는 반응 설비를 이용하여 형성하여도 좋다.

이 경우 실리콘층의 코팅은 다른 분리층(39)과 치밀하게 결합될 수 있는 반응조건에서 수행하면 좋다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 가열기 단위를 준비하는 과정에서나, 저항체(38)의 가공 전후, 분리층(39) 형성 전후 또는 도중, 또는 실리콘 석출운전에 사용하기 전에 400 ~ 3,000 ℃ 범위 내에 포함되는 온도에서 가열기 단위를 열처리하여 잔유 불순물 성분을 제거하거나 화학적으로 변환시키는 것이 좋다.

그리고, 이러한 가열기 단위의 열처리를 진공 하에서 또는 수소, 질소, 아르곤 또는 헬륨 등과 같은 가스 분위기 하에서 실시하면 좋다.

이 열처리를 본 발명에 사용되는 석출반응기에서 또는 선행기술로 제작, 설치되어 이용 가능한 재래식 석출반응기에서 실시하여도 좋고, 별도의 열처리장치 또는 코팅장치에서 실시하여도 좋다.

비록 모든 실시예를 도면으로 예시하지는 않았지만, 입자형태의 다결정 실리콘 제조와 관련하여 본 명세서와 도 1 ~ 도 4에 각각 예시된 장치 요소별 구성 내용과 요소 기술들 가운데에서 필요한 요소를 선택하고 다양하게 조합함으로써, 본 발명이 여러 가지 제조수단과 제조방법의 구성에 활용될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 유동층 반응기와 다결정 실리콘 제조방법을 이용한 다결정 실리콘은 다음과 같은 장점을 제공한다.

(1) 반응관 내부에 형성되는 실리콘 입자들의 층을 이루는 공간을 반응가스공급부에 의하여 반응영역과 가열영역으로 구분함으로써, 실리콘 입자들을 가열하는 영역에서 실리콘이 석출 및 누적되어 반응기 운전이 중단되는 문제를 방지할 수 있게 된다.

(2) 가열영역의 실리콘 입자들 및 이 영역을 통과하는 유동가스를 가열영역 내부공간에 설치된 내부가열기에 의하여 가열함과 동시에, 가열영역에 공급된 열량이 반응영역에 지속적으로 전달될 수 있게 유동상태의 실리콘 입자들이 두 영역 사이에서 상호 혼합되도록 함으로써, 실리콘 석출이 일어나는 반응영역에서 필요한 열량을 빠른 속도로 공급해준다.

(3) 가열영역 내부에 내부가열기가 설치됨에 따라 불필요한 열손실을 최소화시킬 수 있고, 높은 수율의 실리콘 석출에 필요한 반응온도를 손쉽게 유지할 수 있다.

(4) 가열영역에 설치되는 내부가열기의 주변에 충진물에 의한 충진층을 형성시키는 경우, 내부가열기에 의한 가열속도를 증가시키고, 가열영역 하부방향으로의 열손실을 감소시키며, 두 영역 상호간의 빠른 열전달을 위해 요구되는 실리콘 입자들의 유동을 훼손함이 없이 가열영역에서의 유동가스 가열에 따른 열량소모를 최소 화할 수 있다.

(5) 반응가스에 의해 냉각되는 반응영역에 열량을 충분히 공급할 수 있어 반응압력을 높일 수 있음으로써 유동층 반응기의 생산성을 최대한 증가시킬 수 있다.

(6) 본 발명은 반응가스공급부 출구의 높이를 기준으로 실리콘 입자들 층이 반응영역과 가열영역으로 구분이 되는 어떠한 형태와 구조의 유동층 반응기에서도 활용될 수 있기 때문에 입자형태의 다결정 실리콘 제조에 광범위하게 활용될 수 있다.

(7) 반응관 내, 외부의 압력차이를 낮게 유지할 수 있게 하여, 높은 압력에서의 실리콘 석출반응에서도 실리콘 석출물의 형성에도 불구하고 반응관의 기계적 안정성을 유지할 수 있으며, 반응관 내, 외부에서의 압력차이에 따른 반응관의 파손이 근본적으로 예방될 수 있다.

(8) 불순물 오염을 최소화하면서 실리콘 입자들을 가열할 수 있게 함으로써 고순도의 다결정 실리콘 입자의 대량생산에 활용될 수 있다.

Claims (56)

1. 반응기 셸 내부에 수직하게 설치되는 반응관 내부에서 유동가스를 공급하기 위한 유동가스공급부 위에 형성되는 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부의 유동가스 출구보다 높게 위치함으로써, 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측과 하측에 해당하는 상기 반응관의 내부영역이 반응영역과 가열영역으로 각각 구분되는 유동층 반응기를 이용하되;

   상기 가열영역에서 상기 반응가스공급부와 상기 반응관 내벽면 사이에 설치되는 내부가열기의 전기저항가열에 의하여 상기 유동가스와 상기 실리콘 입자들을 가열하며;

   상기 반응영역과 상기 가열영역 사이에서 실리콘 입자들이 지속적인 유동상태에서 서로 혼합될 수 있게 상기 유동가스를 공급함으로써 상기 반응영역에서의 반응온도가 사전에 정해지는 반응온도 범위 내에서 유지될 수 있게 하며;

   상기 반응가스공급부에 의하여 상기 반응가스를 공급하여 상기 반응영역에서 상기 실리콘 석출반응에 의해 크기가 증가된 실리콘 입자들을 제조하고;

   상기 반응영역을 통과하는 유동가스, 미반응 반응가스, 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스를 가스배출부에 의하여 상기 유동층 반응기의 외부로 배출하며;

   상기 실리콘 입자들의 일부를 입자배출부에 의하여 실리콘 제품입자로서 상 기 유동층 반응기의 외부로 배출하는 조작을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 가열영역의 공간 중에서 상기 반응관 내벽면, 상기 유동가스공급부, 상기 반응가스공급부 및 상기 내부가열기 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 상기 유동가스의 흐름에 의하여 유동되지 않는 충진물로 충진층을 형성시켜 상기 유동가스가 상기 충진층을 통과하면서 가열되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서, 실리콘 제품입자가 상기 충진물 사이에 이루어지는 공간에 체류하거나 이동한 다음 입자배출부를 통해 유동층 반응기 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 반응온도 범위가 600 ~ 1,200 ℃ 범위 내에 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 내부가열기가 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어지고, 상기 가열기 단위는 전기저항가열이 발생하는 저항체를 포함하며, 상기 저항체에 의하여 실리콘 입자들이 오염되는 것을 방지하기 위하여 상기 저항체를 보호관 내부에 설치하거나, 상기 저항체의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층을 형성시키거나, 또는 상기의 분리층이 형성된 상기 저항체의 외부에 보호관을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 내부가열기에 추가하여 내부영역에 공급되는 마이크로파를 이용하여 내부영역을 가열하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 유동가스는 수소, 질소, 알곤, 헬륨, 사염화실란, 삼염화실란, 이염화실란, 염화수소 가운데에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정의 실리콘 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서, 단위시간당 가열영역에 공급되는 상기 유동가스의 공급속도(mole/sec)는 반응가스를 공급하지 않는 상태에서 반응영역에서의 실리콘 입자들이 반응온도 범위 내에서 유동을 시작하는 상태에 해당하는 공급속도의 1.0 ~ 5.0배 범위 내에 포함되게 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 반응가스는 실리콘원소를 함유하는 성분으로서 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란, 사염화실란 가운데서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 반응가스는 수소, 질소, 아르곤, 헬륨, 염화수소 가운데서 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 유동층 반응기 외부에서 제조된 실리콘 종입자(seed crystal)를 종입자공급부에 의하여 상기 반응관 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 반응가스공급부는 상기 가열영역에 해당하는 공간에서 반응가스 공급용 반응가스노즐과 상기 반응가스노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 동축 다중관의 형태를 지니게 구성하여 상기 반응가스노즐을 보호하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 동축 다중관의 동심원 부분에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 불활성가스가 흐르게 하여 상기 반응가스노즐 내벽면에서 실리콘이 석출되어 누적되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 불활성가스에 연속적으로, 간헐적으로 또는 주기적으로 염화수소를 추가시켜 상기 반응가스노즐 출구부분에 실리콘이 석출되어 누 적되는 것을 방지하거나 이미 생성된 실리콘 퇴적물을 제거하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
15. 청구항 1에 있어서, 상기 유동층 반응기가 상기 반응관을 반응기 셸이 에워싸는 구조가 되도록 상기 반응관을 상기 반응기 셸 내부에 수직으로 배치하여, 상기 반응관의 내부공간이 상기 실리콘 입자들의 층이 존재하고 상기 가열영역과 상기 반응영역을 포함하는 내부영역으로 정해지는 동시에, 상기 반응관과 상기 반응기 셸 사이의 공간이 상기 실리콘 입자들의 층이 형성되지 않고 상기 석출반응이 일어나지 않는 외부영역으로 정해지도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 외부영역에 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 선택된 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 불활성가스가 흐르게 하여 상기 외부영역이 불활성가스 분위기로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
17. 청구항 15에 있어서, 상기 외부영역에서의 압력(Po)과 상기 내부영역에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar < ｜Po - Pi｜≤ 1 bar 범위 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 외부영역에서의 압력 또는 상기 내부영역에서의 압력이 1 ~ 20 bar 범위 내에서 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
19. 청구항 15에 있어서, 내부가열기에 추가하여 상기 외부영역에 설치되는 보조가열기를 이용하여 상기 내부영역을 가열하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
20. 청구항 19에 있어서, 상기 보조가열기의 가열용량이 상기 내부가열기의 가열용량의 10 ~ 100% 범위 내에 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기를 이용한 입자형 다결정 실리콘의 제조방법.
21. 입자형태의 다결정 실리콘을 제조하기 위한 유동층 반응기를 포함하는 다결 정 실리콘 제조장치에 있어서,

    상기 유동층 반응기가,

    반응관과;

    상기 반응관을 에워싸는 반응기 셸과;

    상기 반응관 내부에 형성되는 실리콘 입자들 층의 하부에서 유동가스를 공급하기 위한 유동가스공급부와;

    상기 실리콘 입자들 층 내부로 실리콘 석출에 필요한 반응가스를 공급하기 위해 상기 실리콘 입자들 층 내부에서 수직하게 설치되는 반응가스공급부와;

    상기 반응가스공급부의 반응가스 출구가 상기 유동가스공급부보다 높게 위치되도록 함으로써, 상기 반응관의 내부영역이 상기 반응가스 출구의 높이를 기준으로 상측 및 하측으로 각각 구분되어 이루어지는 반응영역 및 가열영역과;

    상기 가열영역에서 상기 반응가스공급부와 상기 반응관 내벽면 사이에 설치되어 전기저항가열에 의하여 상기 유동가스와 상기 실리콘 입자들을 가열하는 내부가열기와;

    상기 반응영역을 통과하는 유동가스, 미반응 반응가스, 반응생성물 가스를 포함하는 배출가스를 유동층 반응기의 외부로 배출하는 가스배출부와;

    상기 반응관 내부에서 상기 실리콘 석출반응으로 제조된 실리콘 입자들의 일부를 실리콘 제품입자로서 유동층 반응기 외부로 배출하기 위한 입자배출부;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
22. 청구항 21에 있어서, 상기 가열영역의 공간 중에서 상기 반응관 내벽면, 상기 유동가스공급부, 상기 반응가스공급부 및 상기 내부가열기 사이에 이루어지는 공간의 전체 또는 일부에 상기 유동가스의 흐름에 의하여 유동되지 않는 충진물로 구성되는 충진층을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
23. 청구항 22에 있어서, 상기 충진물은 평균 직경이 5 mm ~ 50 mm 범위 내에 포함되는 구(sphere), 비드(bead), 볼(ball), 과립(granule), 조각(fragment), 덩어리(lump), 타원체(spheroid), 다면체(polyhedron), 자갈(pebble), 펠릿(pellet), 링(ring) 또는 너겟(nugget)의 형태를 지니는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
24. 청구항 22 또는 청구항 23에 있어서, 상기 충진물은 그 재질을 구성하는 성분이 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 중에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
25. 청구항 24에 있어서, 상기 충진물은 그 두께방향으로 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
26. 청구항 21에 있어서, 상기 반응기 셸의 내부공간이, 상기 반응관에 의해 구획되는 것으로서, 실리콘 입자들 층이 형성되고 실리콘 석출반응이 일어나는 내부영역과, 상기 실리콘 입자 층이 형성되지 않고 실리콘 석출반응이 일어나지 않는 외부영역을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
27. 청구항 26에 있어서, 상기 외부영역을 불활성가스 분위기로 유지할 수 있게 하기 위한 불활성가스 연결부와; 상기 내부영역 및 외부영역에서의 압력을 각각 측정 또는 조절 또는 측정 및 조절하기 위한 압력제어수단과; 상기 외부영역에서의 압력(Po)과 상기 내부영역에서의 압력(Pi)의 차이가 0 bar < ｜Po - Pi｜≤ 1 bar 범위 내에서 유지될 수 있도록 하는 압력차조절수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
28. 청구항 26에 있어서, 상기 외부영역에 단열재가 설치되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
29. 청구항 26에 있어서, 상기 외부영역에 보조가열기를 추가 설치하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
30. 청구항 26에 있어서, 상기 내부영역에 마이크로파를 공급하여 상기 내부영역을 가열할 수 있게 전기에너지를 마이크로파로 변환시키는 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전달하는 도파관이나 또는 상기 마이크로파 발생기를 상기 반응기 셸과 결합하여 추가로 설치하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
31. 청구항 21에 있어서, 상기 반응기 셸은 그 재질을 구성하는 성분이 탄소강과 스테인리스강 중에서 선택된 하나 이상을 포함하는 금속으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
32. 청구항 21에 있어서, 상기 반응관은 그 재질을 구성하는 성분이 석영(quartz), 실리카(silica), 질화규소(silicon nitride), 질화보론(boron nitride), 탄화규소(silicon carbide), 흑연(graphite), 유리질 탄소(glassy carbon) 및 실리콘(silicon) 중에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상을 포함하는 것임을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
33. 청구항 32에 있어서, 상기 반응관은 그 두께방향으로 상기 반응관의 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
34. 청구항 21에 있어서, 상기 내부가열기는 하나의 또는 다수의 가열기 단위로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
35. 청구항 34에 있어서, 상기 다수의 가열기 단위는 전기적으로 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬 형식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
36. 청구항 34에 있어서, 상기 가열기 단위는 반응기 셸과 결합되어 설치되는 전기연결부를 통해 전력공급원과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
37. 청구항 36에 있어서, 상기 전기연결부는 상기 반응기 셸 내부 또는 셸 외부 또는 셸 내부 및 셸 외부에 설치되는 전극부를 포함하고, 상기 전극부에 의하여 상기 가열기 단위가 전기적으로 직렬 또는 병렬 또는 직렬 및 병렬 형식으로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
38. 청구항 37에 있어서, 상기 전극부는 구리(Cu), 알루미늄(Al) 및 카드뮴(Cd) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금으로 제작되거나, 표면이 탄화규소로 처리된 흑연으로 제작되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
39. 청구항 34에 있어서, 상기 가열기 단위에 포함되어 전기저항가열이 발생하는 저항체는 두께방향의 단면이 원, 타원 또는 다각형인 로드(rod), 와이어(wire), 필라멘트(filament), 바(bar), 스트립(strip) 및 리본(ribbon)과, 단면이 동심원, 동심타원 또는 동심다각형인 도관(conduit), 튜브(tube), 실린더(cylinder) 및 덕트(duct) 중에 선택된 형태를 지니며, 길이방향에 따라 상기 단면의 형태 또는 크기 또는 단면의 형태 및 크기가, 한 가지 또는 두 가지 이상을 포함하는 형태를 지니는 것임을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
40. 청구항 39에 있어서, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 흑연, 탄화규소 및 실리콘 가운데에서 선택된 하나 또는 두 가지를 포함하는 것임을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
41. 청구항 39에 있어서, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 금속원소를 포함하는 금속 또는 합금인 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
42. 청구항 39에 있어서, 상기 저항체를 이루는 재료의 성분이 몰리브덴규소화물(Mo-Si), 란탄늄크롬화물(La-Cr-O) 및 지르코니아 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상의 성분을 포함하는 세라믹 금속인 것을 특징으로 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
43. 청구항 39에 있어서, 상기 저항체가 실리콘 입자들과 직접 접촉하지 못하도록, 상기 저항체 외부에 보호관을 설치하거나; 상기 저항체의 표면에 분리기능성분으로 이루어지는 하나의 또는 다수의 분리층을 형성시키거나; 또는 상기 분리층이 형성된 저항체의 외부에 보호관을 설치하여 상기 가열기 단위를 구성하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
44. 청구항 43에 있어서, 상기 보호관의 두께방향 단면이 동심원, 동심타원 또는 동심다각형의 형태를 지니는 것임을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
45. 청구항 43에 있어서, 상기 분리층 또는 상기 보호관 또는 상기 분리층 및 보호관이 분리기능성분으로 이루어진 1가지 이상 5가지 이하 종류의 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
46. 청구항 45에 있어서, 상기 분리기능성분이 저항체로부터 실리콘 입자들 또는 유동가스 또는 실리콘 입자들 및 유동가스에 불순물이 확산되는 것을 방지하는 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
47. 청구항 45에 있어서, 상기 분리기능성분이 전기절연성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
48. 청구항 45에 있어서, 상기 분리기능성분이 실리콘(Si) 또는 붕소(B)의 질화물, 산화물, 탄화물 또는 산화질화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
49. 청구항 45에 있어서, 상기 분리기능성분이 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 노븀(Nb), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 테크네튬(Tc), 하프늄(Hf), 로듐(Rh), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 토 륨(Th), 란타늄(La), 티타늄(Ti), 루테늄(Lu), 이트륨(Y), 철(Fe), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중에 선택된 하나 또는 두 가지 이상 금속원소의 질화물, 산화물, 규소화물, 붕소화물, 탄화물, 산화질화물 또는 산화규소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
50. 청구항 45에 있어서, 상기 분리층 두께의 합을 1 ㎛ ~ 5 mm의 범위 내에 포함되도록 하거나, 상기 보호관의 두께를 1 mm ~ 20 mm의 범위 내에 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
51. 청구항 45에 있어서, 상기 분리층이 실리콘을 분리기능성분으로 하는 실리콘층을 1 ㎛ ~ 5 mm 범위 내의 두께로 추가로 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
52. 청구항 21에 있어서, 상기 유동가스공급부는 상기 가열영역의 하부에서 유동가스를 분산하여 공급할 수 있게 다수의 구멍이 뚫린 평판의 형태나 디스크 또는 원추형판의 형태를 지니는 가스분산판 또는 가스분산용 성형물을 포함하거나, 다수의 유동가스공급노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
53. 청구항 21에 있어서, 상기 반응가스공급부는 상기 가열영역에 해당하는 공간에서 반응가스 공급용 반응가스노즐과 상기 반응가스노즐을 에워싸는 하나 또는 다수의 노즐이 동축 다중관의 형태를 지니게 구성되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
54. 청구항 21에 있어서, 상기 입자배출부가 상기 반응가스공급부와 동축 다중관을 이루면서 구성되거나 별도로 구성되는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
55. 청구항 21에 있어서, 상기 유동가스공급부, 반응가스공급부 및 입자배출부나, 상기 유동가스공급부와 반응가스공급부 또는 입자배출부는 그 재질을 구성하는 성분이 석영, 실리카, 질화규소, 질화보론, 탄화규소, 흑연, 실리콘, 유리질 탄소 중에서 선택된 하나 또는 두 가지 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.
56. 청구항 55에 있어서, 상기 유동가스공급부, 반응가스공급부 및 입자배출부나, 상기 유동가스공급부와 반응가스공급부 또는 입자배출부는 그 두께방향으로 재질을 구성하는 성분층이 하나 또는 두 가지 이상 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 입자형 다결정 실리콘 제조장치.

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