DE3332469A1

DE3332469A1 - Reaktorsystem und verfahren zur reaktion von keimteilchen mit einem als materialquelle dienenden gas

Info

Publication number: DE3332469A1
Application number: DE19833332469
Authority: DE
Inventors: Robert D. 85032 Phoenix Ariz. Darnell; William M. 85021 Phoenix Ariz. Ingle; Stephen W. 77471 Rosenberg Tex. Thompson
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1983-09-08
Publication date: 1984-03-29
Also published as: JPH0379291B2; JPS5983923A; US4416913A

Description

-IA ' P 18162

Beschreibung

Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren zur Erzielung chemischer Dampfscheidungsreaktionen (chemical vapor deposition = CVD) auf Keimteilchen und insbesondere verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur Umwandlung von Silizium und anderen Materialien aus der gasförmigen in die feste Form.

Hochgereinigtes Silizium, Germanium und ähnliche Materialien werden häufig für die Verwendung von Halbleitervorrichtungen verwendet. Hochgereinigtes Silizium erhält, man typischerweise beispielsweise durch thermische Zersetzung von Silizium enthaltenden Gasen, die gereinigt wurden, um so weit wie möglich sämtliche Verunreinigun- * gen zu entfernen. Die thermische Zersetzung erzielt man am leichtesten an einer geheizten Oberfläche, die mit dem elementaren Silizium überzogen wird, das aus den Silizium enthaltenden Gasen freigesetzt wird. Dieses Verfahren wird als chemische Dampfabscheidung bzw. Bedampfung (chemical vapor deposition = CVD) bezeichnet. Um zu vermeiden, daß äußere Verunreinigungen eingeführt werden, ist es günstig, wenn die Ausgangsoberfläche oder "Keim"-Oberfläche auf die die CVD erfolgt, ebenfalls aus hochgereinigtem Silizium besteht.

Wirbelschichtreaktoren sind brauchbare Vorrichtungen um eine große Anzahl fester Teilchen in innigen Kontatk mit einem Reaktionsgas zu bringen. Sie wurden seit langem zur Herstellung von gasförmigen Silizium enthaltenden Verbindungen verwendet, durch Leiten von Ätzmitteln

wie HClHDampf durch ein feines Bett von Siliziumteilchen, unter Bildung von gasförmigen Silanen und Chlorsilanen, die dann leicht gereinigt werden können. In der letzten Zeit wurde versucht Wirbelschichtbetten als Vorrichtung zum Extrahieren von Silizium aus gereinigten Silan- und Chlorsilanverbindungen/zu verwenden. " ' - -

Wird eine Silizium enthaltende gasförmige Verbindung durch ein Wirbelschichtbett von Siliziumkeimteilchen bei einer Temperatur von etwa- 1000⁰C geleitet, so zersetzt sich die Silizium enthaltende Verbindung unter Abscheidung von elementarem Silizium auf den Keimteilchen, die dadurch in ihrer Größe zunehmen. Werden jedoch Wirbelschichtbetten zur Herstellung von elementarem Silizium verwendet, so treten im Gegensatz zu Silizium enthaltenden Gasen große praktische Schwierigkeiten auf. Da insbesondere die Siliziumteilchen in dem Bett dazu' neigen an Größe zuzunehmen,,besteht die Tendenz zur Agglomeration zu Klumpen, die wirksam aneinander geklebt werden durch das Silizium, das an ihren Oberflächen durch⁷ die CVD-Reaktion abgelagert wird. Diese Agglomeration führt zu einer Verringerung des Durchsatzes und der Wirksamkeit der Reaktion, da die agglomerierten Teilchen eine geringere spezifische Oberfläche aufweisen als die^:getrennten Einzelteilchen,:und die-Reaktionsgeschwindigkeit und die Umwandlungswirksamkeit von der gesamten verfügbaren spezifischen bzw. wirksamen Oberfläche abhängen. ■ ^{: :} --■::.--■-■■

Weitere Schwierigkeiten treten bei der Anwendung von Wirbelschichtbetten beim Sammeln bzw. Ernten von Silizium auf, da die feinen Löcher, die in der Teilchen-Trägerplatte des typischen Wirbelschichtbettreäktörs vorhanden sind, mit abgeschiedenem Silizium oder mit SiIi-

ziumteilchen verstopft werden. Hierdurch wird die Durchsatzkapazität des Bettes verringert und es sind häufige Unterbrechungen erforderlich, um die Öffnungen zu reinigen oder die Platten zu ersetzen. Eine Teilchen-Stützplatte ist eine für Gas durchlässige Platte, die am Boden eines Wirbelschichtbettes angebracht ist, um die Teilchen in dem Bett zu tragen, während Gas hindurchtreten kann und die dem Sieden ähnliche Turbulenz erzeugen kann, die charakteristisch für ein Wirbelschichtbett ist

Ein weiteres Problem, das bei Wirbelschichtbetten zum Sammeln von Silizium des Standes der Technik auftritt, liegt darin, daß es keine wirksamen Mittel gibt die Reak tion kurz abzubrechen und das Bett zu entleeren, um solche Teilchen, an denen sich eine wesentliche Siliziummenge abgeschieden hat, von den Teilchen abzutrennen, die in ihrer Größe durch Agglomeration gewachsen sind, auf · denen sich jedoch relativ wenig Silizium abgelagert hat. Beide haben etwa die gleiche Tendenz sich zum Boden der brodelnden Teilchenmasse in dem Bett hin abzusetzen. So stört die Agglomeration stark die Möglichkeit Teilchen abzutrennen, an denen eine beträchtliche Abscheidung auf getreten ist. Daher enthält das aus den bekannten Reaktoren entfernte Silizium einen größeren Anteil an Keimmaterial als erwünscht. Dies führt zu einer Steigerung der Betriebskosten sowohl für das pro Gewichtseinheit Ausstoß erforderliche Keimmaterial als auch für die beim

SO Erwärmen des zusätzlichen Keimmaterials verschwendete zu sätzliche Energie.

Aus diesen und anderen Gründen hat es sich als nicht praktizierbar erwiesen Wirbelschichtbett-Silizium-Sammelsysteme wirksam und in kontinuierlicher Weise zu be-

treiben, ohne daß wesentliche Betriebs- und Erhaltungsprobleme auftraten.
5

Es ist daher ein Ziel der Erfindung ein verbessertes CVD-Reaktorsystem bereitzustellen, in dem fein verteilte Keimteilchen in Kontakt mit einem Reaktionsgas gebracht werden, das das abzuscheidende Material enthält.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten CVD-Reaktorsystems, bei dem die Teilchenagglomeration auf ein Minimum herabgesetzt oder vermieden wird und daß die leichte differenzierende Abtrennung von umgesetzten und nicht umgesetzten Teilchen ermöglicht, so daß solche Teilchen, auf denen eine beträchtliche CVD aufgetreten ist, leicht gesammelt werden können, wohingegen andere zur weiteren Reaktion verbleiben.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Reaktorsystems mit verbesserter thermischer Bauweise, um eine größere Energiewirksamkeit zu erzielen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von Problemen, die mit der Verstopfung von Teilchenstützplatten einhergehen, unter Vermeidung der Anwendung derartiger Platten.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Sammeln bzw. Ernten von Silizium aus Silizium enthaltenden Gasen innerhalb eines CVD-Reaktionssystems.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Sammeln bzw. Ernten von

m λ e *

Silizium, insbesonder von Silizium ir.it Halbleiterqualität aus Silizium enthaltenden Gase, das im wesentlichen in kontinuierlicher Weise betrieben werden kann.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Reaktorsystems, in dem zusätzliche Keimteilchen verwendet werden können, in dem Teilchen, die bereits in dem System vorhanden sind durch mehrere CVD- Zyklen zirkuliert werden können und in dem umgesetzte Teilchen gesammelt bzw. geerntet werden können, ohne den Betrieb der Reaktorsysteme wesentlich zu unterbrechen .

Durch die Erfindung werden verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zur Extraktion von Materialien aus einer gasförmigen Quelle (im folgenden auch als Gasquelle bezeich net) bereitgestellt, wobei Siliziumkeimteilchen und die

20. gasförmige Quelle in einer aufsteigenden Teilchenreaktions-Kolonne umgesetzt werden unter Abscheidung oder Zusatz von Material aus der gasförmigen Quelle auf den Keimteilchen. Die Gasgeschwindigkeit in der Reaktions-Kolonne muß ausreichen, um alle Keimteilchen, die kleiner als eine vorbestimmte Größe sind anzuheben, zu transportieren und auszuwerfen bzw. auszuschleudern, während solche die auf eine größere Größe angewachsen sind durch den aufsteigenden Gasstrom abfallen und von der Basis bzw. dem Boden des Reaktors extrahiert werden. Derartige Keim teilchen, die aus der Reaktionskolonne ausgeworfen werden, werden von den verbrauchten Gasen in einer Expan-. sionskammer abgetrennt und fallen zurück in einen Vorratsbehälter, der vorzugsweise konzentrisch um die Reaktions-Kolonne herum angeordnet ist. Ein Einspritzgas, das keinerlei Materialquelle enthält wird in eine erste

ι ; -A -

Mischvorrichtung geführt, vorzugsweise innerhalb des Sammelbehälters für die Keimteilchen. Ein erstes Gas-Teilchen-Gemisch wird in der ersten Mischvorrichtung gebildet und in den Reaktor oder in eine Hilfsmischkammer vor dein Reaktor eingespritzt, wo das erste Gas-Teilchen-Gemisch weiter mit einer Gasquelle vermischt wird. Die gasförmige Quelle kann mit einem Anhebegas hoher Geschwindigkeit kombiniert werden. Das Anhebe- und Gasquellen-Teilchengemisch strömt in den Reaktor, wo eine Reaktion mit und/oder. Abscheidung an den Keimchenteilchen erfolgt. Die Keimteilchen laufen durch die Reaktions-Kolonne zu dem Sammelbehälter und zirkulieren automatisch zurück zu der Reaktions-Kolonne, bis sie eine ausreichende Größe erzielt haben, um.automatisch durch die unterschiedliche Anhebewirkung in der Reaktions-Kolonne geerntet zu werden. . Teilchen-Stützplatten werden weder in dem Sammelbehälter noch in der Reaktions-Kolonne benötigt. Es ist wesentlich, daß die Misch- und/ oder Einspritzvorrichtungen, die zum Einspritzen der Keimteilchen in die Reaktions-Kolonne oder in die Hilfsmischkammer verwendet werden, jegliche Rückführung oder jegliches Austreten der eingeführten Gasquelle in den Sammelbehälter verhindern. Ein eingeengtes Gebiet in der Hilfsmischkammer oder in den Öffnungen als,Zugang zu dem Reaktor oder der Mischkammer tragen dazu bei, diese Rückführung zu verhindern. Es ist günstig die. Keimteilchen auf eine höhere Temperatur als die Reaktorwandungen zu erwärmen. Für diesen Zweck sind Mikrowellen-Heizquellen geeignet,^ . _; ......-.:.

Darüber hinaus, wird ein Verfahren zum überziehen von Keimteilchen mit Material bereitgestellt,.daß zumindest teilweise aus einer.gasförmigen Quelle stammt und das

darin besteht: Keimteilchen von weniger als einer ersten vorbestimmten Größe in einen Sammelbehälter einzuführen, wie vorstehend beschrieben; Einführen eines ersten Gases oder erster Gase, die keine reaktionsfähige Materialquelle enthalten, in den Sammelbehälter, um die Teilchen innerhalb des Sammelbehälters zu bewegen und ein erstes Gas-Teilchen-Gemisch zu bilden; Einspritzen der ersten

Gas-Teilchen-Gemischs in einen Strom eines Anhebegases, das günstigerweise die Gasquelle enthält unter Bildung
eines zweiten Gas-Teilchen-Gemischs und ohne wesentliche Rückführung der Gasquelle in den Sammelbehälter; Strömenlassen des zweiten Gas-Teilchen-Gemischs durch die Reaktionskammer, derart, daß eine erste vorbestimmte Geschwindigkeit des Anhebegases in der Reaktxonskammer erzielt wird; Regeln der ersten vorbestimmten Gasgeschwindigkeit in der Reaktxonskammer, derart, daß im wesentlichen sämtliche Teilchen, die kleiner als eine zweite vorbestimmte Größe und größer als die erste vorbestimmte
Größe sind, im wesentlichen durch die Reaktionskammer
zu einem Auslaßende hin getragen werden; Erwärmen des
zweiten Gas-Teilchen-Gemischs zur Reaktion mit und/oder Reduktion der Gasquelle darin, unter Bildung der Überzüge auf den Keimteilchen, wodurch größere Teilchen und verbrauchte Gase gebildet werden; Sammeln der überzogenen Teilchen, deren Größe· größer ist als die zweite
vorbestimmte Größe in der Reaktionskammer; Auswerfen
der verbrauchten Gase und im wesentlichen sämtlicher

Teilchen, deren Größe geringer bleibt als die zweite vorbestimmte Größe aus dem Auslaßende der Reaktionskammer; Verlangsamen der ausgeworfenen Gase um ihre Geschwindigkeit derart zu verringern, daß die in den ausgeworfenen Gasen mitgeschleppten Teilchen nicht mehr angehohen werden werden, sondern herausfallen, und in dem Samrnelbehäl-

S-

-ye-

ter gesammelt werden unter Bereitstellung der Keimteilchen für die nachfolgenden Reaktionen; Extrahieren und gegebenenfalls Rezyklisieren der verbrauchten Gase; und Sammeln bzw. Ernten der gesammelten Teilchen durch deren Extraktion aus dem Basisende der Reaktionskammer. Das Anhebegas kann getrennt bereitgestellt werden, vermischt mit der gasförmigen Quelle, vermischt mit dem Einspritzgas oder einer Kombination davon. Es ist günstig die Keimteilchen heißer zu erwärmen als die Wandungen der Reaktionskammer. Für diesen Zweck ist eine Mikrowellenheizung brauchbar. Alternativ können die Wandungen der Reaktionskammer gekühlt werden oder es können beide Methoden angewendet werden.

Im folgenden werden die Figuren kurz beschrieben.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt eines Wirbelschichtbettreaktors nach dem Stand der Technik dar,

der zur Herstellung von Silizium verwendet wird;

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt in vereinfachter Form eines ansteigenden Teilchen

reaktorsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 3 ist der Auftrag der Beziehung zwischen der Beschleunigung, die ein sphärisches Teilchen in einem sich bewegenden Gas erfährt und

dem normalisierten Teilchendurchmesser, abgeleitet unter Anwendung des Stokes-Gesetzes;

Fig. 4 zeigt einen vereinfachten Querschnitt eines ansteigenden Teilchenreaktorsystems gemäß

der Erfindung nach einer weiteren Ausführungsform, s

Im folgenden werden die Zeichnungen genauer erläutert.

Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht eines Quarz-Wirbelschichtbettreaktors, der zur Herstellung von Silizium nach dem Stand der Technik verwendet wird. Der Wirbelschichtbettreaktor 10 weist eine senkrecht orientierte zylindrische Reaktionskammer 11 mit einem konischen Boden 28 auf. Ein reaktionsfähiges und verwirbeltes Gas, das eine Quelle für Silizium enthält, in diesem Falle Trichlorsilan plus Wasserstoff, tritt in die Reaktionskammer 11 durch den Einlaß 29 ein. Der Einlaß 13 dient zur Einführung der Siliziumkeimteilchen und der Auslaß 24 dient zum Abziehen von Teilchen mit angewachsener Große, nachdem sie mit der gasförmigen Siliziumquelle umgesetzt wurden und sich am Boden des Bettes abgesetzt haben. Heizspiralen 12 liefern Wärme an die Reaktionskammer 11/ um die fluidisierten Siliziumteilchen in dem Bett 25 bei Temperaturen im Bereich von etwa 950 bis 1250⁰C zu halten. Verbrauchte Gase werden durch den Auslaß 30 extrahiert. Die Gasverteilungsplatte und Teilchen-Stützplatte 26 ist porös, so daß Gase, die durch den Einlaß 29 eintreten, in Aufwärtsrichtung in die Reaktionszone der Kammer 11 durch kleine Öffnungen oder Poren 26a eintreten, während gleichzeitig Siliziumteilchen innerhalb des Wirbelschichtbetts 25 durch die Stützplatte 26 daran gehindert werden, in das konische Endteil 28 einzufallen.

Beim Betrieb werden Siliziumkeimteilchen durch den Einlaß 13 und Reaktionsgase durch den Einlaß 29 in ausreichenden Mengen eingeführt, um ein Blubbern des Wirbelschichtbett 25 zu bilden, in dem die Siliziumkeimteilchen in Kontakt mit den Silizium enthaltenden Reaktionsgasen

gelangen. Die Silizium enthaltenden Gase zersetzen sich und scheiden zusätzliches Silizium an den Keimteilchen ab* Die größeren und somit schwereren Teilchen tendieren dazu, sich am Boden des Bettes 25 abzusetzen. Nach einer ausreichenden Zeit wird der Auslaß 24 geöffnet, die vergrößerten Siliziumteilchen werden gesammelt bzw. geerntet und zusätzliche Keimteilchen werden erneut durch das Rohr 13 eingeführt. Die Gasgeschwindigkeiten innerhalb des Wirbelbettes 25 sind im allgemeinen geringer als 30 cm pro Sekunde. Ein kontinuierlicher Betrieb kann erzielt werden, jedoch mit den Schwierigkeiten der vorstehend beschriebenen Art.
15

Es wurde gefunden, daß die Teilchenagglomeration und das Verstopfen der Teilchen-Stützplatte 26 wesentliche Probleme darstallen, die den kontinuierlichen Betrieb des Reaktors stören. Die Agglomeration ist besonders störend, da. sie den Durchsatz und die Reaktionswirksamkeit, d.h. die Menge an Silizium in der Silizium-Gasquelle, die zu elementarem Silizium umgewandelt wird, das an den Keimteilchen abgelagert wird, verringert. In Reaktoren dieser Art verbleiben typischerweise 75 bis 80% des reaktionsfähigen Siliziums in dem Gasquellenstrom nicht umgewandelt und gehen durch die Abgas-Entlüftungsöffnung 30 verloren. Die Agglomeration der Keimteilchen verringert deren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, derart, daß sie sich am Boden des Bettes absetzen und gesammelt werden bevor beträchtliche Siliziummengen darauf abgelagert wurden. Agglomerierte Teilchen bestehen hauptsächlich aus dem eingebrachten Keimmaterial mit relativ wenig zugefügtem Silizium.

Ein allgemeines Merkmal der Wirbelschichtbett-Silizium-

reaktoren des Standes der Technik liegt darin, daß die Keimteilchen innerhalb des Bettes verbleiben und nicht zusammen mit den verbrauchten oder umgesetzten Gasen, die den Reaktor durch den Auslaß 30 verlassen, mitgetragen werden. Dies führt wesentlich zu der Möglichkeit des Teilchen-Kontakts, der die Agglomeration fördert.

Diese und andere Probleme der Reaktoren des Standes der Technik werden vermieden durch das erfindungsgemäße aufsteigende Teilchenreaktorsystem, das in verschiedenen Ausführungsformen in den Figuren 2 und 4 dargestellt wird. Die aufsteigenden Teilchenreaktorvorrichtungen und das Verfahren der Erfindung werden anhand von Beispielen durch ihre Verwendung zur Sammlung bzw. Ernten von elementarem Silizium aus Silizium enthaltenden Gasen beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die Strukturmerkmale und die Durchführung der Erfindung allgemeiner anwendbar sind und für eine Vielzahl von Materialien und Reaktionen geeignet sind, bei denen es günstig ist, Keimteilchen in einen Reaktor einzuführen, mit einem oder mehreren Gasen umzusetzen und anschließend abzuziehen bzw. zu extrahieren.

Die Figur 2 zeigt schematisch in vereinfachter Form den Querschnitt eines aufsteigenden Teilchenreaktorsystems 40 mit einer konzentrischen zylindrischen Sammelbehälter kolonne oder -kammer 41 zur Aufnahme der Keimteilchen, die eine im wesentlichen zylindrische Reaktor-Kolonneoder -Kammer 42 umgibt. Keimteilchen, in diesem Falle Siliziumkeimteilchen, werden in den Sammelbehälter 41 durch die Keimteilchen-Einlaßeinrichtung 43 eingeführt. Ein Trichter, der mit einem inerten oder reduzierenden Gas unter Druck gesetzt ist, ist eine geeignete Keim-

• » * *» ft *■ V W ft M »

»· *"*i J O O L 4 0 CJ

teilchen-Einlaßeinrichtung. Keimteilchen 43a, die durch den Einlaß 43 eingeführt werden, fallen durch die Schwer kraft in ein ringförmiges unteres Teil 44 des Sammelbehälters 41 und halten in dem unteren Teil 44 eine Zufuhr von Keimteilchen 53 aufrecht, die zur Aufrechterhaltung des Betriebs des Reaktors ausreicht. Die in dem ringförmigen Sammelbehälterraum 44 erfordlicher Menge an Keimteilchen 53 kann durch einen Versuch leicht bestimmt werden.

Das Anhebegas und die gasförmige Quelle 48, die in diesem Beispiel Silizium oder im Falle anderer Substanzen das abzuscheidende Material enthält, wird durch einen Einlaß 49 eingeführt. Der hier verwendete Ausdruck "gasförmige Quelle" bzw. "Gasquelle" bezieht sich auf ein Gas oder ein Gasgemisch, das das auf den Keimteilchen abzuscheidende oder gebildete Material, bei dem es sich auch um einen Bestandteil des an der Oberfläche der Keimteilchen abzuscheidenden oder gebildeten Materials handeln kann, enthält. Ein "kein Quellenmaterial enthaltendes Gas" ist ein Gas oder Gasgemisch, das im wesentlichen kein derartiges Material oder keinen derartigen Bestandteil enthält oder ein derartiges Material in einer inerten nichtreaktionsfähigen Form enthält. Für die Herstellung von Silizium sind Silane, Chlorsinale und/oder ein Gemisch davon, verdünnt mit einem Trägergas, geeignet als Anhebegas und als gasförmige Quelle bzw. Gasquelle 48. Der Anhebegas- und Gasquellen-Einlaß 49 umfaßt ein Mischrohr oder eine Mischkammer 50 mit einer Gas-Teilcheneinlaßöffnung 51 und eine Einspritzdüse 52.

Eine erstes Einspritzgas 45 wird mittels eines Einlasses 46 der Düse 47 zugeführt, die vorzugsweise innerhalb des

unteren Teiles 44 des ringförmigen Sammelbehälters 41 liegt und in die Keimteilchen 53 eintaucht. Das erste Einspritzgas 45 muß ein kein Quellenmaterial enthaltendes Gas sein, d.h. frei von Verbindungen sein, die in der Anwesenheit der Keimteilchen 53 unter Agglomerationsbildung reagieren würden. Beispielsweise darf in einem Silizium-Samiaelreaktor das erste Einspritzgas 45 keine reduzierbares Silizium enthaltenden Verbindungen enthalten. Wasserstoffgas hat sich für das erste Einspritzgas 45 als geeignet erwiesen, obwohl andere inerte oder von Quellenmaterial freie Gase verwendet werden können, beispielsweise Helium oder Argon. Wasserstoff ist auch als Anhebegas geeignet und wird zur Verdünnung der Quellenverbindungen im Anhebegas und der Gasquelle 48 verwendet.

Ein Strom 45a eines ersten Einspritzgases 45 tritt aus der Düse 47 aus,- ein Teil 53a der Keimteilchen 53 wird in den Gasstrom 45a gekehrt unter Bildung eines ersten Gas-Teilchengemischs 55, das durch den Druck und die Geschwindigkeit, die durch den Gasstrom 45a gebildet wer den, in die öffnung 51, die in der Seite des Gasquelleneinlasses 49 und der Mischkammer 50 liegt,gespült wird. Es ist zv/eckmäßig, wenn die Mischkammer 50 eine Verengung 54 in der Nähe der Seitenöffnung 51 aufweist, so daß Vorteil aus dem Bernoulli Effekt gezogen werden kann, wo bei der Druck in der Mischkammer 50 in der Nähe der öffnung 51 hierdurch verringert wird. Es ist wesentlich, daß kein wesentlicher Teil des Anhebegases und der Gasquelle 48, die durch die Mischkammer 50 gepreßt werden, durch die Seitenöffnung 51 in den Sammelbehälter 41 entweichen, wo das als Quelle dienende Gas eine Agglomeration der Keimteilchen 53 bewirken könnte. Wie vorstehend

·!.» Hl» ■*■

erwähnt, ist die Vermeidung der Agglomeration der Keimteilchen ein spezielles Ziel und Merkmal der vorliegenden Erfindung. Es wurde gefunden, daß eine Rückführung oder ein Austreten des Anhebegases und der Gasquelle 48 in das untere Teil 44 des Sammelbehälters, das die Keimteilchen 53 enthält, vermieden wird, wenn ein ausreichender Druck des Gases 45 angelegt wird, um das erste Gas-Teilchengemisch 55 durch die öffnung 51 in die Mischkammer 50 einzuspritzen. Dieses Verfahren wird durch die Verengung 54 in der Nähe der öffnung 51 unterstützt.

Das erste Gas-Teilchengemisch 55 prallt auf das Anhebe- und Quellenmaterial enthaltende Gas 48 innerhalb der Mischkammer 50 auf. Das erste Teilchen-Gasgemisch 55 und das Anhebe- und Quellenmaterial enthaltende Gas 48 vereinigen sich unter Bildung des zweiten Gas-Teilchengemisches 56 in der Mischkammer 50. Das Anhebe- und Quellenmaterial enthaltende Gas 48 muß eine ausreichende Geschwindigkeit aufweisen, derart, daß alle Teilchen, die in die Mischkammer 50 durch das erste Gas-Teilchengemisch 55 eingspr'itzt werden, in Aufwärtsrichtung geblasen werden, d.h. angehoben und transportiert werden zu der Ausspritzdüs^ 52, wo sie in die Reaktions-Kolonne 42 entweichen. Die Querschnittsflächen des Mischrohres 50 und der Düse 52 sind kleiner als die Querschnittsfläche der Reaktions-Kolonne 42. Das zweite Gas-Teilchengemisch 56 bildet beim Einspritzen durch die Düse 52 ein aufsteigendes, d.h. in die Höhe steigendes Gasquellen-Teilchengemisch 57 innerhalb der Reaktions-Kolonne 42.

Die Geschwindigkeit 58 des ansteigenden Gasquellen-Teilchengemischs 57 muß ausreichen, so daß im wesentliche sämtliche Teilchen 59, die kleiner sind als ein vorbe-

stimmter oder kritischer Durchmesser, innerhalb der rasch strömenden Gase 57a des Gasquellen-Teilchengemischs 57 mitgeschleppt und zu dem Auslaß 67 der Reaktions-Kolonne angehoben und transportiert werden.

Aufsteigende Teilchen 59 strömen in Aufwärtsrichtung durch die Reaktions-Kolonne 42 und werden aus dem Austritt der Reaktions-Kolonne 67 ausgeworfen. Verbleibende Teilchen 64, die größer als diese vorbedingte oder kritische Größe angewachsen sind, werden durch den Gasstrom 57a nicht angehoben und transportiert, sondern fallen nach Rückwärts herab durch die Reaktions-Kolonne 42 zum Gebiet 69 an der Basis bzw. am Boden der Reaktions-Koionne 42, wo sie als gesammeltes bzw. geerntetes Material 65 durch den Auslaß 66 abgezogen bzw. extrahiert werden können. Eine genauere Diskussion dieser differenzierten Sammelweise folgt später.

Das verbrauchte Gas-Teilchengemisch 60, das aus verbrauchten Gasen 60b und ausgeworfenen Teilchen 60a besteht, verläßt den Austritt 67 der Reaktions-Kolonne und tritt in den Bremsraum bzw. Verlangsamungsraum 63 ein, der einen größeren Durchmesser als die Reaktions-Kolonne 42 aufweist, wodurch ihre Geschwindigkeit verringert wird. Da die Geschwindigkeit der ausgeworfenen verbrauchten Gase 60b verringert wird, werden die ausgeworfenen Teilchen 60a nicht mehr angehoben und sie fallen zurück in das untere Teil 44 des konzentrischen Sammelbehälters 41 unter Auffüllung der Keimteilchenzufuhr 53. Die verbrauchten Gase 60b werden mittels des Zyklonabscheiders 62 abgezogen, der zwar nicht wesentlich ist, jedoch günstig ist um jegliche extrem feinen

.35 Teilchen, die noch in dem Abgasstrom enthalten sein kön

8«

/ zu entfernen. Die verbrauchten Gase 60b können nicht umgesetztes oder nicht zersetztes als Quelle dienendes Gas enthalten; Im allgemeinen ist es günstig/ wenn die Höhe der Reäktions-Kolonne ausreicht, um die Möglichkeit zu bieten" so viel wie möglich der Gasquelle zu zersetzen und/oder mit den Keimteilchen umzusetzen . " ■ - '- - ' ^ ■ . - -

HeiζVorrichtungen -69a-b umgeben den Sammelbehälter 41 und die Reaktions-Kolonne 42, um das System bei der notwendigen Temperatur zu halten, um die gewünschten Reaktionen zu fördern. Es können auch andere Heizeinrichtungen verwendet werden. Alternativ kann ein Kühlmantel anstelle der Heizvorrichtung 69b verwendet werden, so daß die Innenwandungen 42a der Reaktions-Kolonne 42 bei einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als der Sammelbehälter 41 , die Keimteilchen 53 -und/oder der Gasstrom 57a, Dies ist günstig, da die CVD dann im wesentlichen an heißeren^ Keimteilchen 59 und 64 in der Reaktions-Kolonne oder -Kammer 42 statt an den relativ kühleren Reaktioris-Koionnenwandungen 42a erfolgt. Eine direkte Mikrowellenheizung der Keimteilchen 53 stellt eine weitere Methode zur Anhebung der Temperatur der Teilchen 53 im Vergleich mit den Innenwandungen 42a der Reaktions-Kolonne 42 dar· Die rasche Rezirkuiätion von Teilchen zwischen der Sammelbehälterkammer "41 "und der Reaktions-Kammer 42 erleichtert es die Reaktionskeimteilchen heißer zu halten als die Wandungen 42a, da die beiden Kammern bei verschiedenen Temperaturen gehalten werden können-. Der Wirbelschichtbettreaktor 10 des Standes der Technik weist die Fähigkeit nicht auf, da die Keimteilchen in dem Bett 25 verbleiben bis sie geerntet werden. Abscheidungen an den Wandungen sind ein bekanntes

/27 -

Problem bei Wirbelschichtbett-Siliziumreaktoren des Standes der Technik.
5

Zusätzlich zur Bereitstellung von Teilchen 53 zum Vermischen und zum Einspritzen aus dem Sammelbehälter 41 in das Mischrohr 50 hat das Gas 45 auch die wichtige Punktion die Teilchen 53 innerhalb des Sammelbehälters 41 zu belüften, so daß sie in einem relativ losen Zustand gehalten werden und leicht durch den Gasstrom 45a aufgenommen und durch die Seitenöffnung 51 in das Mischrohr 50 gespült werden können. Der Teil des ersten Einspritzgases 45, der dazu dient, die Keimteilchenzufuhr 53 zu belüften, strömt durch den Sammelbehälter 41 in Aufwärtsrichtung und wird durch die Abscheidevorrichtung 62 abgezogen. Hierdurch wird vermieden, daß verbleibendes als Quelle dienendes Gas in den verbrauchten Gasen 60b die Keirnteilchenzufuhr 53 im Gebiet 44 erreichen und darin eine Agglomeration bewirken. Der Gasstrom 45a trägt nach der Kombination mit dem Gas 48 zur Anhebewirkung der rasch strömenden kombinierten Gase 57a in der Reaktions-Kolonne 42 bei.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß der Anteil der Anhebewirkung in der Reaktions-Kolonne 42, der von den Gasen 45 oder 48 stammt, vom Benutzer gewählt werden kann, wobei es zwar zweckmäßig ist, daß das Gas 48 die Hauptquelle für die Anhebewirkung darstellt, dies jedoch nicht immer so sein muß. Selbst wenn das Gas 48 als das Anhebegas bezeichnet wird, versteht es sich, daß das Anheben teilweise auch durch das Einspritzgas 45 erfolgt und daß, falls gewünscht, das Gas 45 die Hauptanhebewirkung bedingen kann. Wesentlich ist, daß das kombinierte Gas 57a in der Reaktions-Kolonne 42 eine ausreichende Ge-

schwindigkeit aufweist, um die Teilchen 59 anzuheben und zu transportieren und daß das Gas 45 zum Einspritzen der Teilchen und zum Belüften des Sammelbehälters keine reaktionsfähige Gasquelle enthält.

Die Beziehung zwischen der Änhebekraftoder der Beschleunigung, die ein Teilchen erfährt, und der Geschwindigkeit des Anhebegasströmes kann unter Anwendung des Stokes Gesetzes bewertet werden."Der Anhebekraft steht^die Gravitationskraft entgegen. Es kann gezeigt werden, daß ein sphärisches Teilchen mit einem Durchmesser D, das sich in einem aufsteigenden Gasstrom mit: der Geschwindigkeit ν befindet, eine Nettobeschleunigung A/ ausgedrückt in Gravitationseinheiten (g) erfährt von

A ■= 1 - (1/d)²,

worin d = ^d/^dq 3^er normalisierte ieilchendurchmesser ist. Der Bezügsdurchmesser (d.h. kritische Durchmesser) D = D_Q ist der Durchmesser eines Teilchens, bei dem die viskose Anhebekraft^_es Gases gerade im ausgleichenden Gleichgewicht mit der Gravitationskraft besteht und angegeben wird durch

worin V_Q die vorbestimmte Gasgeschwindigkeit ist und Cq eine bekannte Konstante" ist, die von den Eigenschaften des Gases und der Dichte des Teilchenmaterials- abhängt. Die Beziehung zwischen der Beschleunigung A und dem normalisierten Durchmesser d ist in der Figur 3 äufgtragen, worin die negative (aufwärtsgerichtete) Beschleunigungsachse nach oben zeigt.

Für d = 1 sind die Anhebe- und Gravitationskräfte ausgeglichen. Für d <1 steigen die Teilchen an (A<0) und für d>1 fallen die Teilchen ab (A>0). Nahe dem kritischen Durchmesser D_Q hängt die Beschleunigung etwa von dem Quadrat des Teilchendurchmessers ab. So können kleine Änderungen des Teilchendurchmessers um D₀ herum zu starken Veränderungen der Größenordnung und Richtung der Beschleunigung führen. Beispielsweise erfahren für d = 0,5 (Hälfte des kritischen Durchmessers Dq) die Teilchen eine Aufwärtsbeschleunigung von 3 g, während.für d = 2 (zweimal der kritische Durchmesser) die Teilchen eine Aufwärtsbeschleunigung von 0,75 g erfahren. Die Beschleunigüng in Abwärtsrichtung nähert sich asymptotisch einem g. Somit ist ersichtlich/ daß das Reaktionssystem gemäß der Erfindung eine stark differenzierende Sammel- bzw. Erntewirkung aufweist, wenn sich die Keimteilchen in ihrer Größe verändern. Die Keimteilchen mit D<Dq erfah- ^e*¹ eine starke Aufwärtsbeschleunigung und werden durch den Reaktor zur Rezyklisierung transportiert. Sind sie zu einer Größe angewachsen wo D >D~, so werden sie nicht langer angehoben und transportiert, sondern fallen durch das aufsteigende Gas zum Boden des Reaktors ab. Gewöhnlieh sind für ein Keimteilchen mehrere Durchläufe durch die Reaktions-Kolonne erforderlich, um eine brauchbare vorbestimmte kritische Größe zu erreichen und geerntet werden zu können.

Der kritische Durchmesser D_Q, bei dem das Ernten beginnt, kann durch eine geeignete Einstellung der Geschwindigkeit des Anhebegases vorbestimmt werden. Die Beziehung Vq = (Dq/C-J ist brauchbar zur Bewertung der erforderlichen Gasgeschwindigkeit. Jedoch sind die Teilchen keine perfekten Sphären und das Stokes Gesetz ist nur schät-

· I? V k

_ 3t> -

zungsweise korrekt. Es ist daher günstig , daß der spezielle verwendete Reaktor durch Versuche geeicht wird. Dies kann leicht erzielt werden durch Anwendung von Teilchen einer bekannten Größe und Messen der Gasgeschwindigkeit, die erforderlich ist, um ein Anheben und einen Transport zu erzielen.

Es wichtig, daß bestimmte Beziehungen zwischen der Querschnittsfläche A gemessen senkrecht zu dem Gasstrom 57a der Reaktions-Kammer oder -Kolonne 42, der Querschnittsfläche A₂ des Sammelbehälters 41 und der Querschnittsfläche A, des Bremsraumes oder der Expansionskammer 63 bestehen. Diese Beziehungen sind bedingt durch die Notwendigkeit einer differenzierten Teilchenanhebung in der Reaktions-Kolonne 42 , die Abtrennung der ausgeworfenen Teilchen und der verbrauchten Gase in dem Bremsraum 63 und das Sammeln der ausgeworfenen Teilchen in dem Sammelbehälter 41. Es ist günstig, wenn zwischen A₁, A- und A-, eine derartige Beziehung besteht, daß A₁ = XA₀ und A₁ = YA₀, worin X im Bereich von 0,05 bis 0,25 liegt, Y im Bereich von 0,0125 bis 0,125 liegt und X/Y im Bereich von 2 bis 10 liegen. Vorzugsweise liegen X im Bereich von 0,08 bis 0,2, Y im Bereich von 0,04 bis 0,1 und X/Y im Bereich von 2 bis 5.

Die Erfindung weist verschiedene Merkmale auf, die sich von Wirbelschichtbettsystemen und -methoden des Stands der Technik unterscheiden, die zur Bildung von überzügen oder zur Abscheidung von Materialien wie beispielsweise zur Ernte von Silizium verwendet wurden.

(1) Stützplatten sind im erfindungsgemäßen System weder in der Reaktions-Kolonne nich im Sammelbehälter erforderlich ·

Daher werden Verstopfungsprobleme von Stützplatten/ die sich bei bekannten Systemen ergeben, vermieden. 5

(2) Die Keimteilchen 53, die in einem ringförmigen konzentrischen Sammelbehälter 41 enthalten sind, ergeben automatisch einen Isoliermantel für die Reaktions-Kolonne 42, wodurch der Wärmeverlust verringert und die Wirksamkeit des Reaktors gesteigert werden. Darüber hinaus hält die ringförmige Bauweise des Sammelbehälters, der die Reaktions-Kolonne umgibt, automatisch die Teilchen 53 in einem ringförmigen Raum 44 bei oder nahe der gewünschten Reaktionstemperatur. Außerdem können durch Verwendung einer Mikrowellenheizung der Keimteilchen und/oder durch Kühlung der Innenwandungen der Reaktions-Kammer die Keimteilchen heißer gehalten werden als die Wandungen der Reaktions-Kammer, so daß die CVD an den Wandungen verringert oder vermieden wird. Die konzentrische Sammelbehälterstruktur ist auch kompakt und einfach zu konstruieren und ermöglicht, wie im Zusammenhang mit der Fig.4 gezeigt, leicht einen winkelförmigen symmetrischen und gleichmäßigen Teilchenrückstrom zur Reaktions-Kammer.

(3) Die in der Reaktions-Kolonne 42 vorhandenen Keimteilchen werden nicht innerhalb eines Wirbelschichtbettes gehalten, sondern werden, solange sie unterhalb der vorbestimmten kritischen Größe bleiben, mit dem Gasstrom mitgeschleppt, angehoben und transportiert durch die und aus der Reaktions-Kolonne heraus durch die Kraft der Einlaßgase. Sie rezirkulieren automatisch durch den Sammelbehälter 41.

(4) Da die Teilchen nicht innerhalb eines Wirbelschicht-

bettes in der Reaktions-Kolonne gehalten werden, wird der Teilchenkontakt auf ein solches Ausmaß verringert, daß eine Agglomeration innerhalb der Reaktions-Kolonne im wesentlichen ausgeräumt wird.

(5) Im Gegensatz zu bisherigen Wirbelschichtbetten tritt keine Brodelwirkung auf, die es ermöglicht/ daß Blasen von Reaktionsgasen durch das Bett und die Reaktions-Kolonne aufsteigen, ohne daß ein inniger Kontakt mit den Keimteilchen erfolgt. Im Gegensatz hierzu laufen beim erfindungsgemäßen Reaktor die Teilchen im wesentlichen einzeln durch die Reaktiöns-Kolonne und haben daher eine maximale Gelegenheit mit den sich zersetzenden Reaktionsgasen in Kontakt zu treten. Hierdurch wird die Wirksamkeit der Abscheidung vergrößert und es ergibt sich eine verbesserte umwandlung des Quellenmaterials in festes Silizium.

(6) Solche Teilchen, die einen ausreichend dicken Siliziumüberzug durch ihren Kontakt mit den sich zersetzenden Gasquellen angenommen haben, werden automatisch von den kleineren Teilchen abgetrennt, die noch nicht ausreichend Silizium aufgenommen haben. So ergibt das erfindungsgemäße Reaktorsystem eine automatische Differenzierung zwischen den zu erntenden und den zu rezyklisierenden Teilchen. Solche Teilchen, die die gewünschte Größe zum Ernten noch nicht erreicht haben, werden automatisch in den konzentrischen Sammelbehälter zum Rezyklisieren zurückgeführt. Ein vorzeitiges Ernten der agglomerierten Teilchen wird vermieden.

(7) Die differenzierende Sammel- bzw. Erntewirkung gemaß der Erfindung unterscheidet sich von den Wirbel-

- 23Τ-

schichtbetten des Standes der Technik und wird als ausgeprägter angesehen. Bei den bekannten Wirbelschichtbetten, die beispielsweise zur Ernte von Silizium verwen det werden, verbleiben die Teilchen in dem Bett. Auch wenn sich das Bett expandiert, da die Gase das Bett belüften und eine turbulente Siedewirkung (d.h. Fluidisierung) ergeben, tritt kein .Teilchentransport der erfingsgemäß beschriebenen Art auf. Im Gegensatz zum Anheben und zum Transport durch Gasströme wie im Falle der Erfindung stoßen die Teilchen in dem Wirbelschichtbett konstant aneinander und werden durch andere Teilchen gestützt. In den Wirbelschichtbetten des Standes der Technik besteht kein Gegenstück zu der Beziehung d<1. Bekannte Wirbelschichtbetten zur Gewinnung von Silizium arbeiten unter Bedingungen, die gleich d>1 sind. In die sem Bereich ist die unterschiedliche Kraft (oder Beschleunigung) , die die Teilchen unterschiedlicher Größe erfahren, wesentlich weniger ausgeprägt als bei der Erfindung. Dies läßt sich leicht aus der Figur 3 ersehen, wenn man feststellt, daß für d>1 die Neigung der Kurve abnimmt und sich Null nähert, während d < 1 die Neigung zunimmt und sich dem Unendlichen nähert. Die Größenordnung der differenzierten Erntewirkung hängt von der Neigung der Kurve im Betriebsgebiet ab. Erfindungsgemäß werden Teilchen stärker durch Arbeiten auf beiden Seiten des kritischen Punktes (d = 1) getrennt, wohingegen die bekannten Wirbelschichtbetten nur auf der rechten Seite des kritischen Punktes (d = 1) betrieben werden.

Im folgenden wird ein Beispiel für die Verwendung des Reaktors der Figur 2 zur Ernte bzw. Gewinnung von elemen tarem Silizium angegeben. Der aufsteigende Teilchenreaktor 40 wurde aus einem Quarzrohr mit einem Durchmesser

O O O

der Reaktions-Kolonne von etwa 25 mm, einem Durchmesser der Sammelbehälter-Kolonne von etwa 75 mm und einer kombinierten Höhe von etwa 2 m konstruiert. Vor dem Einführen durch die Beschickungsöffnung 43 wurden die Siliziumkeimteilchen auf eine Größe im Bereich von 0,13 - 0,32 mm (80 - 200 mesh) gesiebt, obwohl auch Teilchen vom zweibis dreifachen dieser Größe angehoben werden könnten. Der spezifische Widerstand der Siliziumkeimteilchen wurde als größer als 200 ohm-cm bestimmt. Das Anhebe- und als Quelle dienende Gas 48 bestand aus 6,6% H₃SiCl₂, 3,4% HSiCl-, und 90% H₉ (in Mol-Prozent). Wasserstoff wurde auch als erstes Einspritzgas 45 verwendet. 15

Der Reaktor wurde mit inerten Gasen und/oder Wasserstoff gespült und eine erste Charge von Siliziumkeimteilchen 53 wurde durch den Einlaß 43 eingeführt, so daß das untere Viertel bis Drittel des ringförmigen Sammelbehälters 51 teilweise gefüllt wurde. Zuerst wurde reiner Wasserstoff durch den Gasquelleneinlaß 49 eingeleitet und es wurde eine ausreichende Strömungsrate eingestellt, um eine Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Reaktions-Kolonne 42 von etwa einem halben bis mehreren Metern pro Sekunde zu ergeben, obwohl auch kleinere Geschwindigkeiten von 0,3m pro Sekunde für kleine Keimteilchen angenommen werden können. Das Strömungsausmaß des ersten Einspritzgases 45 (Wasserstoff) wurde so eingestellt, daß sich ein wesentliches Einspritzen von Keimteilchen 53 in das Mischrohr 50 ergab₇ so daß Keimteilchen 53 rasch durch die Reaktions-Kammer 42 und zurück in den Behälter 41 zu zirkulieren beginnen. Dies diente auch dazu, die Keimteilchenzufuhr 53 in dem Sammelbehälter 41 zu belüften. Anschließend wurde der Reaktor auf Temperatur allgemein im Bereich von 1050° bis 1100⁰C mittels der Heiz-

vorrichtung 69a gebracht. Bei diesem Versuch wurde die Heizvorrichtung 69b weggelassen,
5

Anschließend wurden Silizium enthaltende als Quelle dienende Gase in den Anhebegasstrom 48 eingebracht und die Strömungsausmaße wurden so eingestellt, daß sich die vorstehenden Proportionen ergaben, wobei weiterhin eine Gesamtströmungsgeschwindigkeit 58 innerhalb der Reaktions-Kolonne 42 in dem Bereich von einem halben bis mehreren Metern pro Sekunde aufrechterhalten wurde. Diese Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Reaktions-Kolonne 42 reichte aus, um anfangs im wesentlichen sämtliehe Keimteilchen 53 anzuheben. Dies entspricht einem Wert von D_Q > 0,32 mm. Mit dem Einführen der Silizium enthaltenden als Quelle dienenden Gase in den Reaktor beginnen die Siliziumkeimteilchen rasch im Gewicht und in der Größe durch die CVD des Siliziums aus den als Quelle dienenden Gasen anzuwachsen. Es wurde gefunden, daß, wenn die Siliziumkeimteilchen im Volumen um einen Paktor von 6 bis 10 im Vergleich mit ihrer ursprünglichen Größe zugenommen hatten, diese nicht langer durch den Gasstrom 57 in der Reaktions-Kolonne 42 angehoben wurden und die vergrößerten Teilchen sich abzusetzen und zur Ernte zu sammeln begannen. Dies entspricht einem D das größer wird als D_Q. Es zeigte sich, daß im Durchschnitt ein Teilchen etwa fünfmal durch die Reaktions-Kolonne und den Sammelbehälter zyklisierte, um eine ausreichende Gewichtszunahme zu erzieln um auszufallen und gesammelt zu werden.

Bei einem typischen Ansatz wurden etwa 1,4 kg Siliziumkeimteilchen in den Reaktor eingeführt. Nach dem Leiten von etwa 20,4 kg H₃SiCl₂ und 13,6 kg HSiClg-Gasquellen

26--

durch den Reaktor im Kontakt mit den zirkulierenden Keimteilchen war bei den geernteten Keimteilchen ein Gewichtsgewinn von etwa 2,8 kg erfolgt. Diese Ergebnisse zeigen eine Gewinnungswirksamkeit von 33%. Diese ist mit einer typischen Gewinnungswirksamkeit nach dem Stand der Technik von 20 bis 25% zu vergleichen.:Die Gewinnungswirksamkeit wird durch den Gewichtsgewinn der geernteten Keimteilchen, dividiert durch das Gewicht des verfügbaren Siliziums in der durch den Reaktor während des Betriebs geleiteten Gasquelle, angegeben. Bei Versuchsansätzen wurde eine durchschnittliche Wachstumsrate von 0,28 kg pro Stunde dauerhaft während einer zehnstündigen Periode erzielt. Das geerntete Material wurde verwendet, um einen Einkristall-Siliziumblock zu bilden, der sich vom unkompensierten P-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 150 - 180 ohm-cm erwies. Das geerntete Material wies eine Qualität auf, die zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen brauchbar war.

Die Figur 4 zeigt einen Reaktor in schematischer und vereinfachter Querschnittsform gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der rezirkulierende ansteigende Teilchenreaktor 80 weist einen konzentrischen Keimteilchen-Sammelbehälter 81 auf, der die im wesentliche zylindrische Reaktions-Kolonne 82 umrundet. Start-Keimteilchen werden dem Reaktor durch die öffnung 83 zugeführt, von wo sie in das ringförmige Gebiet 84 des Sam- melbehälters 81 einfallen. Ein Merkmal dieser Ausführungsform liegt darin, daß das Anhebe- und als Quelle dienende Gas 88 und das Teilcheneinspritzgas 85 (das keine Quelle darstellt) dem Reaktorsystem derart zugeführt werden, daß sie vor ihrem tatsächlichen Eintritt in die Reaktions-Kolonne 82 vorerwärmt werden durch ther-

mischen Kontakt mit dem zylindrischen Sammelbehälter 81 und/oder der Reaktions-Kolonne 82. Diese Anordnung kühlt die Innenwandungen der Reaktions-Kolonne und/oder -Kammer 82 und der Mischkammer 82a in vorteilhafter Weise in bezug auf die Keimteilchen ab. Dies ist von Bedeutung, da die Ablagerung von Material aus dem als Quelle dienenden Gas 88 auf den inneren Wandungen der Kolonne 82 im Vergleich zur Abscheidung an den heißeren Keimteilchen verringert wird.

Das Anhebe- und als Quelle dienende Gas 88 tritt durch die Einlaßöffnung 89 ein und bewegt sich im thermischen Kontakt mit den Wandungen des Sammelbehälters 81 in den Verteiler 89 aus dem es zur Mischkammer 82a an der Basis der Reaktions-Kolonne 82 durch Düsen 92 austritt. Einspritzgas 85 (kein als Quelle dienendes Gas) tritt durch den Einlaß 86 ein und bewegt sich im thermischen Kontakt mit den Wandungen der Reaktions-Kolonne 82.

Das Einspritzgas 85 wird in die Einspritzdüsen 87 freigesetzt. Die Einspritzdüsen 87 richten sich auf eine Reihe kleiner Öffnungen oder Zugänge 91 in der Seite der Mischkammer 82a an der Basis der Reaktions-Kammer 82, die eine Verbindung zwischen dem unteren Teil 84 des Sammelbehälters 81 und der Mischkammer 82a ergeben. Der Einspritzgasstrom 85a tritt durch die Düse 87 aus und nimmt einen Teil der Keimteilchen 93 in dem Sammelbehälter 81 mit unter Bildung eines ersten Gas-Teilchengemischs 95, das durch die Öffnungen 91 in die Mischkammer 82a eingespritzt wird. Beim Einspritzen in die Mischkammer 82a trifft das erste Gas-Teilchengemisch 95 aus einem rasch ansteigenden Strom 88a von Anhebe- und als Quelle dienendem Gas 88, mit dem es sich vermischt, unter

Bildung des Anhebegas-Gasquellen-Teilchengemischs 97 mit der Gasgeschwindigkeit 98. Das Anhebegas-Gasquellen-Teilchengemisch 97 schreitet direkt zur Reaktions-Kolonne 82 fort. Durch die konzentrische Anordnung des Sammelbehälters 81 um den Reaktor herum können die Einspritzöffnungen91 in ^gleichmäßiger Weise um das untere Ende des Reaktors. 82 herum, angebracht werden, so daß die Teilcheneinspritzung in die Mischkammer 8.2a und den Reaktor 82 ebenfalls gleichmäßig erfolgt. Dies fördert die gleichmäßige Verteilung der Teilchen innerhalb des Reaktors, was hilfreich, bei der Erzielung eines hohen Durchsatzes und.einer hohen Leistungsfähigkeit ist...

■ . -. ■■■■- . .:

Die Geschwindigkeit 98 muß wie vorstehend ausreichen, um die Teilchen 99, die kleiner als eine vorbestimmte Größe sind, im wesentlichen anzuheben und zu traä|portieren, so daß sie aus dem Auslaß 107 der Reaktions-Kammer aus-' geworfen werden, während größere und schwerere.Teilchen 104, die durch den Gasstrom 97 mit der Geschwindigkeit 98 nicht angehoben werden können, nach rückwärts zum Basisteil oder Sumpf 112 hin abfallen. Wie im Zusammenhang mit der Figur .2 diskutiert, wird das Gemisch von verbrauchtem Gas und.ausgeworfenen Teilchen.100 in der Expansionskammer 103 getrennt, so daß die ausgeworfenen Teilchen 100a.zurück in das ringförmige Sammelbehälterteil 84 zur Auffüllung der Teilchen 93 .fallen _r während die abgetrennten verbrauchten Gase 100b aus dem Reaktor mittels des.Zyklonabscheiders 102 oder einer äquivalenten Einrichtung austreten.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Vermischen der Keimteilchen mit dem als Quelle'dienenden Gas innerhalb .der Mischkammer 82a, die den unteren Teil

der Reaktions-Kolonne bildet. Ein Rückführen oder ein Austreten der als Quelle dienenden Gase 88 in das Sarnmelbehälterteil 84 durch die öffnungen 91 wird dadurch verhindert, daß eine ausreichende Geschwindigkeit des Einspritzgases 85a gegen die öffnungen 91 gerichtet wird. Die Bauweise der öffnungen 91 trägt dazu bei dieses Rückführen zu verhindern. Die erforderliche Geschwindigkeit des Einspritzgasstromes 85a kann leicht durch Versuche bestimmt werden. Größere und schwerere Teilchen 104, die durch das Gas 97 nicht mehr angehoben werden können, fallen zum Sumpf 112 ab, wo sie sich durch die Schwerkraft in die Auslaßöffnung 106 bewegen und durch Trennwände 111 gelangen unter Bildung der geernteten bzw. gewonnenen Siliziumteilchen 105.

Ein^fterkmal der in der Fig.4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung liegt darin, daß ein Erwärmen der Teilchen in dem Sammelbehälter und/oder dem Reaktor teilweise durch eine Quelle für Mikrowellen 109 erfolgt, die die Mikrowellenenergia durch das Mikrowellenfenster 110 in den Behälter 81 und/oder die Reaktions-Kammer 82 koppelt. Falls gewünscht können getrennte Quellen für Mikrowellen für den Sammelbehälter 81 und die Reaktions-Kammer 82 verwendet werden, so daß die Mikrowellenheizung in den beiden Gebieten getrennt gesteuert werden kann. Eine äußere Hilfsheizvorrichtung 108 ist ebenfalls vorgesehen, um die Vorrichtung vorzuwärmen und eine genauere Steuerung der radialen Temperaturgradienten zu ermöglichen.

Getrennte Vorheizvorrichtungen können für die Gase 88 und 85 verwendet werden. Ein Vorteil der Mikrowellenheizung liegt darin, daß die Energie direkt an die Keimteilchen gekoppelt werden kann,, so daß sie innerhalb des gewünschten Reaktionstemperaturbereichs, günstig bei 950° bis

„**„*""; O O O /.HtO O

ψ * * W

135O⁰C jedoch vorzugsweise 1050° bis 1100⁰C für Silizium gehalten werden können, während die Wandungen der Reaktions-Kolonne 82 und des Sammelbehälters 81 (falls gewünscht) bei niedrigeren Temperaturen bleiben. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da die chemische Dampfabscheidung dann vorzugsweise an den heißeren Keimteilchen erfolgt, während keine oder nur eine geringe an den kühleren Wandungen des Reaktors selbst auftritt. Die Wandungen der Reaktions-Kolonne 82 und des Sammelbehälters 81 werden in Bezug auf die Keimteilchen durch den Durchtritt der Einlaßgase 85 bzw. 88 gekühlt. Der Sammelbehälter 81 wird günstigerweise heißer gehalten als die Reaktions-Kolonne 82 um dazu beizutragen, die Keimteilchen bei der geeigneten Temperatur zu halten. Die Trennwandungen oder Prallwandungen 111 dienen dazu, dem geernteten Teilchen 105 den Austritt aus dem Bäsisteil 1T2 des Reaktors 82 zu ermöglichen und dabei ein Austreten von Mikrowellenstrahlung, die durch die Mikrowellenquelle 109 zugeführt wird, zu verhindern.

In dem System der Figur 4 wurde zwar eine Anordnung veranschaulicht, in der das als Quelle dienende Gas 88 sich in thermischem Kontakt mit dem Sammelbehälter 81 befindet und das Einspritzgas (keine Quelle)85im thermischen Kontakt mit der Reaktions-Kolonne 82 vorliegt, für den Fachmann ist es jedoch ersichtlich, daß die thermischen Verbindungen ausgetauscht werden können ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, vorausgesetzt, daß die Gasquelle 88 nicht als Mischgas zum Einspritzen der Keimteilchen 93 verwendet wird. Dies ist notwendig, um Agglomerationseffekte zu vermeiden.

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß im Rahmen der vor-

It« »β **

liegenden Besehreibung zahlreiche Änderungen durchgeführt werden können. Insbesondere kann die Erfindung ver-B wendet werden zur Ernte bzw» Gewinnung von Materialien, di© sieh von Silizium unterscheiden und kann mit Keimteilehen betrieben werden, die verschiedenste Größen aufweisen, wobei vorausgesetzt ist, daß die Gasgeschwindigkeit SS oder 98 derart eingestellt wird, daß im we- !entliehen sämtliche Teilehen, die rezyklisiert werden sollen, durch die Reaktionskolonne getragen und aus deren oberen Ende auegeworfen werden, während solche mit einer größeren Größe gewonnen werden. Darüber hinaus kann das Gas mit hoher Geschwindigkeit, das die Anhebewirkung er-

IB geben soll, in di© Reaktions-Kolonne getrennt oder vermiieht entweder mit der Gasquelle oder den Teilchen ©der einer Kombination davon eingeführt werden. Beispielsweise können in der Figur 2 die Gaseinlässe 46 und 49 beide als Einrichtungen zur Einführung des wesentlichen, bzw. hauptsächlichen ÄnhebegasStroms verwendet werden. In der Figur 4 können beispielsweise die Gaseinlässe 89 und 88 nur zum Anheben angewendet werden, während die Gasquell© separat in die Mischkammer 82a eingeführt wird, wie beispielsweise über den möglichen Einlaß 115. Es sind zahlreiche Variationen möglich.

Pur den Fachmann ist auch ersichtlich, daß die Differenzierung zwischen den kleineren Teilchen, die in der ReaktionsHKammer angehoben und transportiert werden und den größeren Teilchen, die in die Reaktions-Kammer fallen, nicht unmittelbar bzw. verzögerungsfrei erfolgt. Es ergibt sich vielmehr ein glatter übergang als Funktion der anwachsenden Teilchengröße dahingehend, ob ein Anstieg oder ein Abfallen in einem Gasstrom einer bestimmten Ge-

8S SQhwindigkelt erfolgt. Darüber hinaus ist die Geschwindig-

keit des Anhebegases im allgemeinen nicht perfekt gleichmäßig über den Durchmesser der Reaktions-Kolonne hinweg, so daß die Differenzierungswirkung nicht perfekt ist. Daher weisen die geernteten Teilchen einen Größenbereich um die vorbestimmte kritische Größe herum auf, bestimmt durch die durchschnittliche Geschwindigkeit des Anhebegases. Nichtsdestoweniger hat sich die differenzierende Erntewirkung des erfindungsgemäßen Reaktionssystems als wirksam für. die Möglichkeit der Keimteilchen zur automatischen Rezyklisierung innerhalb des Reaktors ohne Agglomeration erwiesen, solange bis sie eine beträchtliche und brauchbare Zunahme der Größe durch CVD erzielten.

Es ist wichtig, daß das Verhältnis der Größe der geernteten Teilchen und somit D_Q·, zu den Keimteilchen so groß wie möglich ist, da hierdurch die Wirksamkeit des Reaktors vergrößert wird, da ein geringeres Gewicht der Keimteilchen' erforderlich ist, um das gleiche Gewicht an Silizium aus den als Quelle dienenden Gasen zu extrahieren. Somit sind große Werte von V_Q, z.B. > 0,5 m/Sekunde günstig.

Die Erfindung wurde zwar beschrieben und veranschaulicht in Form eines Reaktorsystems, bei dem der Sammelbehälter konzentrisch um die Reaktions-Kolonne herum angeordnet ist, wodurch sich wichtige Vorteile wie eine Verringerung des Wärmeverlustes ergeben und eine angewinkelte! · symmetrische und gleichmäßigere Teilchenströmung erzielt wird, jedoch können zahlreiche Vorteile der Erfindung, wie der verbesserte Gas-Teilchenkontakt, die verbesserte Wirksamkeit, die Vermeidung der Teilchenagglomeration, die verringerte Verweilzeit, die Abwesenheit von Stützplatten der Teilchentransport und die differenzierte Gewinnung das kontinuierliche und automatische^Rezykli-

sieren der Teilchen bis das gewünschte Ausmaß der CVD erzielt^ ist sowie andere Vorteile und Verbesserungen auch mit anderen Bauweisen von Reaktions-Kolonne -Sammelbehälter erzielt werden. Beispielsweise kann eine Seite-an-Seite-Bauweise verwendet werden, sofern die verbindenden Elemente für eine automatische und kontinuierliche Rezyklisation der Keimteilchen ohne Agglomeration, das Einspritzen der notwendigen Misch- und Anhebegase, der Zusatz neuer Teilchen und die Abfuhr vergrößerter Teilchen usw., wie sie im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 4 beschrieben wurden, bereitgestellt werden.

Die Erfindung wurde anhand der chemischen Dampfabscheidung beschrieben, jedoch können auch andere Reaktionstypen durchgeführt werden, nicht nur Abscheidungsreaktionen, bei denen überzüge auf den Keimteilchen lediglieh aus der Gasquelle erhalten werden, sondern auch Reaktionen bei denen der überzug oder das Material, das die Größe der Keimteilchen vergrößert, teilweise aus den Keimteilchen selbst stammt. Beispielsweise können auch Keimteilchen umgesetzt werden, die einen überzug erhalten sollen, der ein Nitrid, einen intermetallischen oder einen Verbindungs-Halbleiter umfaßt. Beispielsweise kann ein Keimteilchen aus Silizium mit TiSi₂ beschichtet wer-=- den durch Reaktion eines Titan enthaltenden Gases als Quelle mit dem Siliziumkeimteilchen selbst, derart, daß das Keimteilchen das Silizium für den TiSi₂-Überzug liefert, oder könnte der TiSx2^Überzug erhalten werden, durch Zersetzen von als Quelle dienenden Gasen, die sowohl Titan als auch Silizium enthalten. Es sind zahlreiche andere Variationen möglich. Derartige Variationen Sallen in den Rahmen der Erfindung.

Claims

GRÜNECKER, KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE A. GRUNECKER. t>«. »*> DR H KINKELDEY. απ. inc. DR W. STOCKMAIR. ΐ»η.ι.-»*.»ε F ι DH K. SCHUMANN :'* «■*= P H. JAKOB, on. iNQ DR G BE20LD. «ο*» W. MSISTER. mi. ins H. HILGERS. an. «να KOTOHOItA., -llfC. DRH.MEYER-PLATH.CR...« 1303 .3. Algonquin Road rs, Illinois 60196 U O ix 8000 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE S3 P 18 162 - dg 10 ■ Reaktorsystem und Verfahren zur Reaktion von Keimteilchen mit einem als Materialquelle dienenden Gas 15 Patentansprüche

1. Rezirkulierendes Reaktorsystem (40) zur Reaktion von Keimteilchen (53) mit einem als Materialquelle dienenden Gas (48) / enthaltend:

einen Sammelbehälter (41) zur Aufnahme der Keimteilchen (53) mit einem Einlaß und einem Auslaß (51);

einen Reaktor (42) mit einem Einlaß (52) und einem Auslaß (67) , gekuppelt an den Sammelbehälter, der das Anheben und den Transport der Teilchen ( 59) mit weniger als einer ersten vorbestimmten Größe, die größer ist als die der Keimteilchen (53) , aus dem Reaktoreinlaß zum Reaktorauslaß ermöglicht;

' erste Mischeinrichtungen (47) , gekuppelt mit dem Auslaß für den Sammelbehälter (41) zur Aufnahme der Keim-

• <

• 41 · »

teilchen (53a) aus dem Sammelbehälter (41) und zur Bildung eines ersten Gas-Teilchengemischs (55) mit einem nicht als Quelle dienenden Einströmungsgas (45);

zweite Mischeinrichtungen (50) , gekuppelt an den Einlaß (52) des-Reaktors zur Aufnahme des ersten Gas-Teilchengemischs (55) und zur Bildung eines zweiten Gas-Teiichengeittisehs (56) durch Kombination des ersten Gas-Teilchengemischs (55) mit einem: Gas (48), das das als Quelle dienende Gas enthält unter Verhinderung der Rückführung und des-Austretens-des-als- Quelle dienenden Gases in den Sammelbehälter - (41) ,. und worin das zweite Gas-Teilchengemisch (56) in den Einlaß (52). des Reaktors freigesetzt wird;

Einlaßvorrichtungeh (46, 49) für das Anhebegas, gekuppelt mit der ersten Mischeinrichtung (47) der zweiten Mischenrichtung (50) oder beiden Mischeinrichtungen zur Zufuhr eines Anhebegases mit ausreichender Geschwindigkeit, um innerhalb des Reaktors (42) das Anheben und den Transport der Teilchen (59") mit geringerer Größe als der-ersten vorbestimmten Größe zu bewir-

ken; ^{:; ;}

Trenneinrichtungen (63) in Verbindung mit dem Auslaß (67) des Reaktors (42) und dem Einlaß für den Sammelbehälter (41) zur Abtrennung von verbrauchtem Gas und transportierten' Teilchen (60a) , die aus-dem Reaktor

(42) ausgeworfen wurden, und Rückführen der ausgeworfenen Teilchenr (6Öa) in den Sammelbehälter (41) zur erneuten 'Verwendung"als Keimteilcheni(S3);

Sammel- bzw. Erriteeinrichtungen (66)_r'verbunden mit

dem Reaktor (42) zum Sammeln der nicht ausgeworfenen Teilchen (64), die in dem Reaktor verblieben sind; 5

Gasabzugseinrichtungen (62), verbunden mit den Abscheideeinrichtungen (63) zur Aufnahme von verbrauchtein Gas (60b) aus den Abscheideeinrichtungen (63);

Sinspritzeinrichtungen (43) für Keimteilchen, verbunden mit dem Sammelbehälter zum Einspritzen neuer Keimteilchen (53) in den Sammelbehälter und

Heiseinrichtungen (69a) zur Zufuhr von Wärme zum Reaktor (42) zur Förderung der Reaktion zwischen den Keimteilchen (53) und dem als Quelle dienenden Gas.

2. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 1, in dem der Reaktor (42) im wesentlichen zylindrisch ist und worin äer Sammelbehälter (41) im wesentlichen konzentrisch um den Reaktor (42) herum angeordnet ist, und die Anhebegaseinlaßeinrichtungen (46, 48) sowohl mit den ersten Mischeinrichtungen (47) als auch den zweiten Mischeinrichtungen (50) verbunden sind.

3. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 1 oder 2, in dem die erste Mischeinrichtung (47) sich im Inneren des Sammelbehälters befindet.

SO '4. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 1,2 oder 3, in dem die zweite Mischeinrichtung (50) im wesentlichen eine zylindrische Kammer mit einem Teil (54) außerhalb des Reaktors und innerhalb des Sammelbehälters umfaßt, und worin die ersten und zweiten Teilchenmischeinrichtungen mittels einer öffnung (51) in dem Teil der zweiten Mischeinrichtung verbunden sind.

5. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 4 oder einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem die Öffnung der zweiten Mischeinrichtung außerdem einen Abschnitt (54) mit verringertem Durchmesser umfaßt, der derart angepaßt ist, daß das Anhebegas aufgenommen wird und benachbart zur Öffnung (51) liegt, um das Einspritzen des ersten Gas-Tailchengemischs (55) zu erleichtern und die Rückführung und das Austreten des als Quelle dienenden Gases in die erste Mischeinrichtung (47) und den Sammelbehälter (41) verringert.

6. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 5 oder einem der An-Sprüche 1 bis 4, in dem die erste Mischeinrichtung eine Düse (47) zur Abgabe eines Stroms des nicht als Quelle dienenden Gases (45) aufweist, wobei die Düse (47) innerhalb des Sammelbehälters (41) liegt und zu der öffnung (51) hin gerichtet ist.

7. Reaktorsystem (40) nach Anspruch Ί oder einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Abscheideeinrichtung eine Expansionskammer (63) zur Verringerung der Geschwindigkeit der ausgestoßenen Gase (60b) auf ein Niveau umfaßt, das unter dem liegt, das zur Anhebung und zum Transport der ausgestoßenen Teilchen (60a) erforderlich ist.

8. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 7 oder einem der An-Sprüche 1 bis 6, bei dem der Reaktor (42) eine erste Querschnittsfläche A₁ und der Sammelbehälter (41) eine zweite Querschnittsfläche ringförmiger Form A2 um den ersten Reaktor (42) herum aufweisen und die Abscheideeinrichtung aus einer Expansionskammer (63) besteht, die den Reaktor (42) und den Sammelbehälter (41) ver-

5 -

bindet und eine dritte Querschnittsfläche A-, aufweist, wobei A₁ = XA- und A = YA₃₇ wobei X im Bereich von 0,05 bis 0,25 liegt, Y im Bereich von 0,0125 bis 0,125 und X/Y im Bereich von 2 bis 10 liegt.

9. Reaktorsystem (40) nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die Heizeinrichtungen eine Quelle für Mikrowellen umfassen, die auf die Keimteilchen gerichtet ist, um die Keimteilchen zu erwärmen.

10. Rezikulierendes Reaktorsystem (80), beispielsweise gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reaktion von Keimteilchen (93) mit einem als Materialquelle dienenden Gas, enthaltend:

einen Sammelbehälter (81) zur Aufnahme der Keimteilchen (93) mit einem Einlaß (84) und einem Auslaß (91);

einen Reaktor (82) mit einem Einlaß (91) und einem AuslaS (107), der mit dem Sammelbehälter (81) verbunden ist, geeignet um das Anheben und den Transport von Teilchen (99) von geringerer als der-1 -. vorbestimmten Größe, die größer ist als die der Keimteilchen (93) aus dem Reaktoreinlaß (91), zum Reaktorauslaß (107) zu ermöglichen;

erste Mischeinrichtungen (87) , verbunden mit dem Auslaß (91) des Sammelbehälters zur Aufnahme der Keimteilchen (93) aus dem Sammelbehälter (81) und zur Bildung eines ersten Gas-Teilchengemischs (95) mit einem Einlaßgas, das keine Materialquelle darstellt (85a);

zweite Mischenrichtungen (82a), verbunden mit dem

Einlaß für den Reaktor (82) zur Aufnahme des ersten Gas-Teilchengemischs (95) und zur Bildung eines zwei-. ten Gas-Teilchengemischs (97) durch Kombination des ersten Gas-Teilchengemischs (95) mit einem Gas (88), das das als Quelle dienende Gas enthält, unter Verhinderung der Rückführung und des Austretens des als Quelle dienenden Gases in den Sammelbehälter, wobei das zweite Gas-Teilchengemisch (97) zum Einlaß des Reaktors (82) abgegeben wird;

SinlaSeinrichtungen (86, 88) für das Anhebegas, verbunden mit den ersten Mischeinrichtungen (87) , den zweiten Mischeinrichtungen (82a) oder dem Reaktor zur Zufuhr eines Anhebegases mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um innerhalb des Reaktors das Anheben und den Transport der Teilchen (99.) mit geringerer als der ersten vorbestimmten Größe zu ermöglichen;

Abscheideeinrichtungen (103), verbunden mit dem Auslaß (107) des Reaktors (82) und dem Einlaß (84) für den Sammelbehälter (81), um verbrauchtes Gas (100b) und transportierte Teilchen (100a), die aus dem Reaktor (82) ausgeworfen wurden, abzutrennen und die ausgeworfenen Teilchen (100a) zu dem Behälter (81) zur Wiederverwendung als Keimteilchen (93) zurückzuführen;

Sammel- bzw. Ernteeinrichtungen (112) , verbunden mit dem Reaktor (82) zum Sammeln von nicht ausgeworfenen Teilchen (104), die in dem Reaktor (82) verblieben sind;

Gasabzugseinrichtungen (102), verbunden mit den Ab-

— 7 —

Scheideeinrichtungen (103) zur Aufnahme von verbrauchtem Gas (100b) aus den Abscheideeinrichtungen (103); 5

Eirispritzeinrichtungen (83) für Keimteilchen, verbunden mit dem Sammelbehälter (81) zum Einspritzen neuer Keirateilchen (93) in den Sammelbehälter (81) und

Heizeinrichtungen (108, 109) zur Lieferung von Wärme an den Reaktor (82) zur Förderung der Reaktion zwischen den Keimteilchen (99) und dem als Quelle dienenden Gas.

11. System nach Anspruch 10, das außerdem Kühleinrichtungen (85, 88) zur Verringerung der Temperatur von Teilen der Innenwandungen des Reaktors (82) bezogen auf die anderen Teile des Systems (80) enthält.

12. Verfahren'zur Reaktion von Keimteilchen mit einem als Materialquelle dienenden Gas, dadurch gekennzeichnet, daß man;

Keimteilchen (93) von weniger als einer ersten vorbestimmten Größe in einen Sammelbehälter (81) , der mit einer Reaktions-Kammer (82) verbunden ist, einführt;

in den Sammelbehälter (81) ein erstes Gas (85), bei dem es sich um kein als Materialquelle dienenden Gas handelt, einführt;

die Keimteilchen (93) in dem Sammelbehälter (81) mittels des ersten Gases (85) bewegt;

das erste Gas (85) und einen Teil der Keimteilchen

OOOZ4D3

(93) unter Bildung eines ersten Gas-Teilchengemischs (95) vermischt;
5

das erste Gas-Teilchengemisch (95) in einen Strom (88a) von Gas (88) , das das als Quelle dienende Gas enthält, spritzt unter Bildung eines zweiten Gas-Teilchengemischs (97) ohne wesentliche Rückführung des als Quelle dienenden Gases in den Sammelbehälter (81);

das zweite Gas-Teilchengemisch (97) durch die Reaktions-Kammer (82) derart strömen läßt, daß in der Reaktions-Kammer (82) eine erste vorbestimmte Gasgeschwindigkeit (98) erzielt wird;

die erste vorbestimmte Gasgeschwindigkeit (98) in der Reaktions-Kammer (82) derart einstellt, daß die Teilchen (99) mit einer Größe, die unter einer zweiten vorbestimmten Größe liegt, die größer als die erste vorbestimmte Größe ist, im wesentlichen durch die Reaktions-Kammer (82) zu einem Auslaßende (107) getragen werden;

das zweite Gas-Teilchengemisch (97) in der Reaktions-Kammer (82) erwärmt, um das als Quelle dienende Gas und die Teilchen (93) umzusetzen unter Bildung von größeren Teilchen und von verbrauchten Gasen;

in der Reaktions-Kammer (82) die umgesetzten Teilchen (104), deren Größe größer als die zweite vorbestimmte Größe ist / sammelt,

aus dem Auslaßende (107) der Reaktions-Kammer (82) die verbrauchten Gase (100b) und die umgesetzten Teil-

chen (10Oa), deren Größe geringer ist als die zweite vorbestimmte Größe, auswirft;

die ausgeworfenen Gase (100) verlangsamt, um ihre Geschwindigkeit zu verringern und die ausgeworfenen Teilchen (100a) von den verbrauchten Gasen (100b) abzutrennen;

die ausgeworfenen Teilchen (100a) in dem Sammelbehälter (81) sammelt unter Bereitstellung von Keimteilchen (93) für anschließende Reaktionen und

die gesammelten Teilchen (104, 105) durch Abziehen bzw. Extrahieren der gesammelten Teilchen (104,105) sammelt bzw. extrahiert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzstufe darüber hinaus die Bildung des zweiten Gas-Teilchengemischs (97) mit einem Anhebegas in einer Hilfsmischkammer (50, 54) vor der Abgabe des zweiten Gas-Teilchengemischs in die Reaktions-Kammer umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorbestimmte Größe weniger als etwa 0,6 mm beträgt und die erste vorbestimmte Geschwindigkeit größer als etwa 0,3 m/s ist.

15. Verfahren nach Anspurch 14 oder einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsstufe das Leiten der teilweise verbrauchten Gase (100) aus der Reaktions-Kolonne in eine konzentrische Expansionskammer (103) mit einer Querschnittsfläche umfaßt, die mindestens das Vierfache der Quer-

τ / tin \J £*. *r \j

- 10 -

schnittsfläche der Reaktions-Kammer (82) beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der Ansprüche 12, 13 und 15," dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelstufe darüber hinaus das Sammeln der ausgeworfenen Teilchen '(10Oa) konzentrisch um den Sammelbehälter (41) herum umfaßtPum Wärme zu konservieren und die Keimteilchen■(93) bei erhöhter Temperatur für das Rezyklisieren zu halten. -

17. Verfahren nach Anspruch 14 oder einem der Ansprüche 12, 13, 15 und 16/ dadurch gekennzeichnet, daß es sich um ein'Verfahren zur Herstellung von Silizium handelt und daß die Teilchen Siliziumteilchen sind., und daß das als Quelle dienende Gas Silizium enthält. ■■■"■■ ■ ...■:...■■

18. Verfahren nach Anspruch 12 oder einem der Ansprüche 13 bis 17, -dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungsstufe das Bestrahlen der Keimteilchen (93, .99, i00a} mit Mikrowellen umfaßt, um ein.Erwärmen der,Keimteilchen (93₇ 99_r TOOa) zu erzielen. ....--..

■-.-.-■-:: -.:■-.■.-■ . . ■ ■:. ; ■■

19. Verfahren nach Anspruch 12 odeof einem der-Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungsstufe darüber hinaus das Kühlen eines Teils der Innenwandungen der Reaktions-Kammer (82) auf eine Temperatür unter der Temperatür der Keimteilchen (93) in dem. Sammelbehälter ( 81) umfaßt. .