적용분야

고순도 폴리실리콘은 집적 회로와 태양전지를 제조하는 데 가장 널리 사용되는 소재입니다. 폴리실리콘은 이른바 지멘스(Siemens) 공정이라 불리는 화학 기상 증착(CVD) 공정을 기반으로 생산됩니다. 이 공정은 비교적 비용이 높고 공정 속도가 느리다는 단점이 있음에도 불구하고, 매우 높은 순도의 폴리실리콘을 생산할 수 있다는 장점으로 인해 전 세계 폴리실리콘 생산량의 약 75%가 이 기술에 의존하고 있습니다. 특히 중국의 저비용 생산 설비를 중심으로 한 원가 절감이 이루어지면서, 지멘스 공정은 점차 경제성도 확보하게 되었습니다.

지멘스(Siemens) 공정은 약 0.5%에서 1.5%의 불순물을 포함한 금속급 실리콘에서 시작됩니다. 이 실리콘을 정제하기 위해 작은 입자로 분쇄한 뒤 염화수소와 반응시켜, 휘발성이 매우 높은 액체인 트리클로로실란(TCS)을 생성합니다. 끓는점이 31.8 °C로 낮은 TCS는 이후 증류 공정을 통해 정제됩니다. 정제된 TCS는 다음 단계에서 화학 기상 증착(CVD) 반응기로 주입됩니다. 이 반응기 내부의 가느다란 실리콘 필라멘트는 전기적으로 가열되어 최대 1150 °C까지 도달합니다. 이 과정에서 TCS가 분해되며, 실리콘이 필라멘트 표면에 증착되어 직경 150 mm에서 200 mm에 이르는 폴리실리콘 로드를 형성합니다. 이 단계는 매우 많은 에너지를 소모하며, 요구되는 고순도를 달성하는 데 핵심적인 공정입니다.

지멘스(Siemens) 공정 전반에서 온도 제어는 매우 중요하며, 특히 CVD 단계에서 그 중요성이 더욱 큽니다. 폴리실리콘 로드는 성장 과정 동안 일정한 온도를 유지해야 하며, 이를 위해 과열이나 로드의 용융을 방지할 수 있도록 전력 조절을 정밀하게 수행해야 합니다. 온도가 균일하게 유지되면 TCS로부터 실리콘 필라멘트로의 실리콘 증착이 고르게 이루어져, 폴리실리콘 구조 내 결함 발생을 예방할 수 있습니다. 또한 과열을 방지하는 것은 로드가 녹아 공정 전체가 중단되는 상황을 막기 위해서도 필수적입니다.

결정 성장 공정의 특성상, 기존의 접촉식 온도 센서를 이용해 실리콘 로드의 온도를 측정하는 것은 불가능합니다. 따라서 이처럼 시간이 오래 걸리고 에너지 소모가 크며 비용이 높은 공정을 제어하기 위해서는 적외선 온도 모니터링이 유일한 선택지입니다.

실리콘의 방사율은 온도, 파장, 그리고 표면 특성에 따라 변화하며, 이로 인해 서로 다른 분광 영역에서 복잡하고 동적인 거동을 보입니다. 실리콘의 온도를 신뢰성 있게 측정하기 위해서는, 온도 변화에도 방사율이 비교적 안정적으로 유지되는 약 1 µm 부근의 단파장 적외선 영역을 사용하는 것이 권장됩니다. 두 파장의 신호를 비교하는 투컬러(2색) 파이로미터는 로드의 온도를 측정할 때 시야를 완전히 채우지 않아도 되기 때문에 유리한 장점이 있습니다. 또한 수소 가스가 존재하는 환경에서는 방폭 하우징과 함께 사용될 수 있습니다.

광섬유 방식의 CTratio 투컬러(2색) 파이로미터는 기판 또는 증착된 폴리실리콘 박막의 온도를 측정하는 데 효과적입니다. 이 2분리형 파이로미터는 컴팩트한 구조와 유연한 광섬유를 갖추고 있어, 좁거나 접근이 어려운 위치에도 설치할 수 있습니다. 또한 높은 주변 온도, 진동, 화학 물질 노출 등 가혹한 운전 환경을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 비율식 측정 기술은 서로 다른 두 파장의 빛 강도를 비교하여 온도를 계산함으로써, 방사율 변화, 광학적 간섭, 또는 광 경로상의 감쇠와 같은 요인으로 인해 발생하는 측정 오차를 효과적으로 줄여 줍니다.

그럼에도 불구하고 일부 설비에서는 단일 파장에서 측정하는 싱글 컬러 파이로미터를 선호하기도 하는데, 이 방식은 방사율 변화의 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 경우, 이들은 절대적인 온도 정확도보다는 지멘스(Siemens) 공정에서의 반복성과 일관성을 더 중요하게 여깁니다. 그러나 투컬러(2색) 파이로미터에서는 스마트 비율 모드를 통해 방사율 또는 비율 변화를 학습시킬 수 있어, 두 파장에서 방사율이 동일하게 변하지 않는 상황에서도 정확한 온도 측정을 보장할 수 있습니다.

수동형 센싱 헤드를 적용한 광섬유 방식의 CTratio는 설치 환경이 까다로운 조건에서도 매우 큰 장점을 제공합니다. 이 기술은 전자부를 반응기의 유해한 운전 환경으로부터 분리함으로써 높은 내구성과 긴 수명을 보장합니다. 비접촉식 측정 시스템은 공정에 간섭하지 않아 오염 위험을 제거합니다. 또한 극도로 높은 온도와 잠재적으로 위험한 주변 분위기 조건을 고려할 때, 광섬유 기술은 정확하고 안전한 온도 측정을 유지하는 데 필수적인 요소임을 입증합니다.

Optris 파이로미터는 신뢰성이 높을 뿐만 아니라 매우 비용 효율적인 제품입니다. 경쟁 제품 대비 절반 수준의 가격으로도 정확하고 일관된 온도 데이터를 제공하여, 센서 성능을 타협하지 않으면서도 경제적인 선택이 가능합니다. 또한 적외선 센서의 리드 타임이 현저히 짧아 보다 빠른 도입과 개발 반복 주기를 실현할 수 있습니다.

더 나아가 Optris의 지속적인 기술 지원은 발생하는 문제를 신속하게 해결할 수 있도록 해 주며, 고객이 공정을 지속적으로 최적화하는 데 전문적인 지원을 제공합니다. 이러한 종합적인 접근 방식은 단기적인 성공을 보장할 뿐만 아니라, 장기적인 파트너십 구축에도 기여합니다.