DE3910328C2

DE3910328C2 - Wirbelschicht-Verfahren und -Reaktor für die Herstellung von polykristallinem Silicium

Info

Publication number: DE3910328C2
Application number: DE3910328A
Authority: DE
Inventors: Arun Acharya; Vier William Edgar Be
Original assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Current assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-03-30
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2009-03-31
Also published as: US4904452A; JP2689346B2; CA1334126C; DE3910328A1; JPH0231833A

Description

Die Erfindung betrifft ein Wirbelschicht-Verfahren und einen Wirbelschicht-Reaktor mit wesentlicher Verbesserung der Wärmezufuhr für die Herstellung von polykristallinem Silicium.

Es sind die verschiedensten Methoden zur Aufbringung der nötigen Wärmeenergie für Wirbelschicht-Reaktionen bekannt. Beispiele dafür sind wärmeübertragende fließfähige Medien sowie induktive oder Widerstandsheizung zur Erwärmung von außen. Während Wirbelschichten für verschiedene Zwecke geeignet sind, ist die Wärmezufuhr von außen auf Wirbelschicht-Reaktoren für verschiedene Anwendungsgebiete nicht zufriedenstellend, da die besondere Konfiguration und die ablaufenden Reaktionen große Wärmemengen benötigen. Unerwünschte Nebeneffekte können auftreten durch unwirksame und/oder ungenügende Wärmezufuhr zu der Reaktionszone, in welcher sich die Wirbelschicht befindet, wenn die Wärmezufuhr auf übliche Weise erfolgt.

Bei der Herstellung von polykristallinem Silicium aus silan haltigen Gasen in einer Wirbelschicht-Reaktionszone finden übliche Beheizungsarten von Wirbelschichten ihre Grenzen. Bei diesem Verfahren sind Siliciumteilchen in einem Träger gasstrom suspendiert, in welchen Silan eingeleitet wird. Un ter den Verfahrensbedingungen findet eine heterogene Zer setzung des Silans statt, d. h., das Silan zersetzt sich an den Oberflächen der Trägerteilchen der Wirbelschicht. Diese Teilchen wachsen an infolge der Siliciumabscheidung, bis eine solche Produktgröße erreicht ist, daß die Teilchen in eine Sammelzone unterhalb der Reaktionszone fallen und von dort ausgetragen werden können. Aus der Reaktionszone entweichen über Kopf die Nebenprodukte, Wasserstoff und weitere Gase.

Bei der Herstellung von polykristallinem Silicium führt die Wärmezufuhr auf die Außenwand einer Wirbelschicht-Reaktions zone zu einer unerwünschten Ablagerung von Silicium auf der die Reaktionszone begrenzenden Wand, möglicherweise sogar bevorzugt gegenüber der angestrebten Abscheidung des Sili ciums auf den fluidisierten Trägerteilchen. Die Abscheidung von Silicium auf den Reaktorwänden ist teilweise das Ergeb nis der hohen Temperatur der Reaktorwand gegenüber der geringeren Temperatur der Siliciumteilchen. Die Silicium schicht auf den Reaktorwänden setzt den Wärmeübergangs koeffizienten sowie die gesamte Wirksamkeit des Verfahrens in der Reaktionszone herab.

Aus der US-PS 4 292 344 ist die Pyrolyse von silanhaltigem Gas in einer Wirbelschicht-Reaktionszone bekannt, die kapa zitiv beheizt wird. Andere Möglichkeiten der Beheizung, wie Induktionsspulen, elektrische Widerstandselemente oder in direkt gasbeheizte Brenner, wurden für die Beheizung der Außenwand von Wirbelschicht-Reaktoren aus den US-PSen 3 012 861 und 3 012 862 bekannt.

Aus der DE-A-31 52 314 geht ein Verfahren zur Aufarbeitung von unter anderem Uranylnitratlösungen hervor, bei dem eine Wirbel schicht gebildet wird, auf die Mikrowellen einwirken sollen.

Bei diesem Verfahren geht es im wesentlichen um eine Hitzebe handlung der Uranylnitratlösung aus der UO₃-Pulver erhalten werden soll.

Aus der US-A-3 012 861 ist ein Verfahren zur Herstellung von hochreinem polykristallinem Silicium durch Pyrolyse eines Silans bekannt, bei dem das Silan in eine Reaktionszone eines beheizbaren Wirbelschicht-Reaktors eingeführt und das bei der Zersetzung des Silans anfallende Silicium auf die auf Zer setzungstemperatur gehaltenen Siliciumteilchen niedergeschlagen wird. Die US-A-4 292 344 beschreibt ein gattungsgemäßes Verfah ren, bei dem die Erhitzung der Teilchen der Wirbelschicht mit tels kapazitiver Aufheizung einer Reaktionszone erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist nun eine Verbesserung der Wärmezu fuhr in eine Wirbelschicht innerhalb eines Reaktors, bei dem sich eine Reaktionszone zwischen einer Innen- und einer Außenwand befindet und in dieser die zu beheizende Reaktions zone liegt. Für die Beheizung der Außen- bzw. Innenwand benötigt man eine erste bzw. zweite Wärmequelle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 1 angegeben wird, gelöst. Der Anspruch 2 betrifft einen Wirbel schichtreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens.

In dem erfindungsgemäßen Reaktor läßt sich mit besonderem Vorteil hoch-reines polykristallines Silicium durch Pyrolyse eines silanhaltigen Gases herstellen. Der erfindungsgemäße Reaktor soll daher im folgenden anhand dieser bevorzugten Anwendung näher erläutert werden. Bei der Pyrolyse von Silan zu Silicium werden Siliciumteilchen für die Wirbelschicht verwendet.

Der erfindungsgemäße Reaktor eignet sich jedoch auch für andere Reaktionen, wie katalytische Reaktionen, Ionenaus tauscherreaktionen, Abscheidungs- und Trennvorgänge, Adsorp tionen, zur Trocknung und dergleichen.

Der Begriff "heterogene Zersetzung" bezieht sich auf die thermische Reduktion von Silan oder Halogensilan zu Sili cium, die in zwei oder mehreren Phasen stattfindet, d. h., wenn die Zersetzung an der Grenzfläche von Gas und Feststoff erfolgt. Die heterogene Zersetzung führt zu einer Abschei dung von Silicium auf den Trägerteilchen der Wirbelschicht oder an den Flächen der Reaktorwand, die mit der Wirbel schicht in Berührung stehen. "Homogene Zersetzung" ist eine Zersetzung in nur einer Phase, wie Gasphase. Man erhält da bei Siliciumpulver mit hoher spezifischer Oberfläche im Mi kron- bis Submikronbereich. Im allgemeinen ist diese Zer setzung von Silan und Halogensilanen bei einer gegebenen Temperatur entweder heterogen oder homogen und hängt ab von der Konzentration des Silans in dem Gas. Im allgemeinen wer den für heterogene Zersetzung geringe Silan-Konzentrationen gewünscht. Bei sehr geringen Konzentrationen lassen sich je doch keine hohen Produktionsraten erreichen.

Der Begriff "Siliciumkeime" bezieht sich auf Teilchen der Wirbelschicht mit einer Größe von 50 bis 400 µm. Bei der Reaktion wachsen die Teilchen durch Siliciumabscheidung an und werden dann als Siliciumprodukt gewonnen. "Silicium produkt" bezieht sich daher auf Siliciumteilchen, die aus den Siliciumkeimen gebildet worden sind und eine Korngröße von 400 bis etwa 1300 µm besitzen. Das Produkt sammelt sich im unteren Bereich der Reaktionszone, fällt in eine Sammel zone und wird dann in üblicher Weise ausgetragen. Der Be griff "Siliciumteilchen" umfaßt sowohl die Siliciumkeime als auch die Produktteilchen in der Wirbelschicht.

Der Begriff "Siliciumpulver" bezieht sich auf ein Produkt im Mikron- oder Submikronbereich mit hoher spezifischer Ober fläche, wie man es durch homogene Zersetzung von silanhalti gen Gasen erhalten kann.

Der Begriff "silanhaltiges Gas" umfaßt - wenn nicht anders angegeben - sowohl Silan als auch Halogensilane.

Der Begriff "fluidisierendes Gas" umfaßt hier sowohl das si lanhaltige Gas als auch eventuell zusätzliche Trägergase, die zur Unterstützung der Fluidisierung der Siliciumteilchen und/oder zur Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit oder des Wärmeübergangs angewandt werden.

Polykristallines Silicium kann hergestellt werden, indem silanhaltiges Gas in eine Wirbelschicht aus Siliciumkeimen innerhalb einer Reaktionszone eingeführt wird. Die Silicium teilchen sind durch das aufwärtsströmende fluidisierende Gas suspendiert. Die Fluidisierungs-Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone wird oberhalb der minimalen Fluidisie rungs-Geschwindigkeit der Siliciumteilchen gehalten. Die Temperatur in der Reaktionszone soll zwischen der Zer setzungstemperatur des Silans und dem Schmelzpunkt des Sili ciums gehalten werden. Das silanhaltige Gas zersetzt sich und das gebildete Silicium scheidet sich an der Oberfläche der Siliciumteilchen ab. Mit zunehmender Siliciumabscheidung auf den Siliciumteilchen wachsen diese an und sammeln sich im unteren Bereich der Wirbelschicht, fallen in eine Sammel zone und werden von dort ausgetragen, und zwar entweder kon tinuierlich oder von Zeit zu Zeit. Die Korngröße des Pro dukts ist ausreichend, daß es ohne nennenswerter Verunreini gung des hoch-reinen Materials gehandhabt werden kann.

Die Zuführung des silanhaltigen Gases in die Reaktionszone erfolgt in üblicher Weise von unten über beispielsweise eine Gasverteilerplatte. Dies ist auch die Stelle, wo gegebenen falls die Keimkristalle in die Reaktionszone eingespeist werden. In der Gasverteilungszone wird die Verteilerober fläche auf 200°C bis 400°C mit Hilfe von Wasser, Stickstoff oder dergleichen gekühlt. Die Kühlung ist notwendig, um eine vorzeitige Zersetzung der silanhaltigen Gase zu verhindern. Die silanhaltigen Gase können ohne Verdünnung verwendet werden oder sie können mit Wasserstoff oder einem inerten Trägergas, wie Argon, Helium oder dergleichen, verdünnt wer den. Bei der Zersetzung von Silan fällt Wasserstoff als Ne benprodukt an. Dieses kann als Trägergas rückgeleitet wer den, und zwar bei kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Betriebsweise des Wirbelschicht-Reaktors.

Man kann jedes beliebige silanhaltige Gas verwenden, welches zu Silicium pyrolysiert oder reduziert werden kann, und zwar in Gasphase. Beispiele dafür sind Silan und die Halogensila ne, und zwar die Chloride, Bromide, Fluoride und Jodide. Die Chlorsilane, wie Trichlorsilan, Tetrachlorsilan und Dichlor silan, sind besonders geeignet, wobei jedoch Silan bevorzugt verwendet wird. Die Pyrolyse von Silan ist schwach exotherm, verläuft vollständig, ist irreversibel und setzt bei niede rer Temperatur von 200°C ein, während für die Halogensilane höhere Pyrolysetemperaturen erforderlich sind. Darüberhinaus sind die Zersetzungsprodukte von Silan, nämlich Silicium und Wasserstoff, nicht korrosiv und nicht die Umwelt gefährdend. Hingegen ist die Zersetzung von Chlorsilanen reversibel und unvollständig; es kommt zu Nebenprodukten, die korrosiv sind. Daher bevorzugt man Silan bei der Herstellung von polykristallinem Silicium, obwohl auch andere silanhaltige Gase angewandt werden können.

Für die Herstellung von polykristallinem Silicium in einem Wirbelschicht-Reaktor benötigt man Siliciumkeime, auf denen sich das durch heterogene Zersetzung des silanhaltigen Gases gebildete Silicium abscheiden kann. Als Siliciumkeime kann man einen kleinen Anteil des Siliciumprodukts aufmahlen auf die entsprechende Korngröße und diese Teilchen dann wieder in die Wirbelschicht einführen. Bei der Einführung bekommen diese feinen Keime aktive Stellen, an denen das sich aus der Silanzersetzung bildende Silicium aufwachsen kann. Damit wachsen die Keime auf eine entsprechende Größe und können dann als Siliciumprodukt gewonnen werden.

Die Geschwindigkeit des fluidisierenden Gases durch die Reaktionszone wird im allgemeinen bei 2- bis 8facher Ge schwindigkeit gehalten, die für die Fluidisierung von Teil chen des gegebenen mittleren Durchmessers notwendig ist. Der Begriff "mittlerer Durchmesser" ergibt sich aus der Summie rung der Quotienten gegebener Gewichtsanteile und der ent sprechenden Durchmesser dieser Kornfraktionen. Bevorzugt ist die Gasgeschwindigkeit des fluidisierenden Gases die 4- bis 6fache minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit. Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit läßt sich in üblicher Weise durch folgende Gleichung ermitteln:

_o = minimale oberflächliche Gasgeschwindigkeit für die Fluidisierung (cm/s)
D_p = mittlerer Teilchendurchmesser in der Wirbelschicht (cm)
ρ = Dichte des Fluidisierungsgases (g/cm³)
ρ_P = Dichte der Teilchen (g/cm³)
Φ_s = Kugelgestalt der Teilchen
ε = freier Raum in der Wirbelschicht bei minimaler Flui disierung
µ = absolute Viskosität des Fluidisierungsgases (g/cm·s)
g = Erdbeschleunigung (cm/s²).

Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist stark abhän gig von der Gasviskosität und der Gasdichte sowie dem mittleren Teilchendurchmesser, der Teilchenform und dem freien Raum. Sie kann durch geringe Änderung dieser Faktoren über einen weiten Bereich schwanken.

Bei der Pyrolyse von Silan wird bevorzugt die minimale Flui disierungsgeschwindigkeit für Bedingungen bestimmt, die in unmittelbarer Nähe des Gasverteilers herrschen. Mit diesen Bedingungen, einschließlich Temperaturen, die normalerweise geringer sind als die der Reaktionszone, ist es möglich, die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit zu ermitteln, um das ganze Bett ausreichend zu fluidisieren. Bei erhöhten Tempe raturen der Reaktionszone sind die Variablen Viskosität und Dichte temperaturabhängig und können zu einer minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit führen, die nicht ausreicht, um das Bett bei geringeren Temperaturen in den unteren Be reichen ausreichend zu fluidisieren. Daher ist es bei Berechnung der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit auf der Basis der Bedingungen bei tieferen Temperaturen möglich zu gewährleisten, daß man tatsächlich die tiefste Fluidisie rungs-Gasgeschwindigkeit erhält, die für die Fluidisierung des ganzen Bettes erforderlich ist.

Die jeweiligen Bedingungen mit dem erfindungsgemäßen Reaktor sind nicht auf obige Parameter der Teilchen und Gase be schränkt. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Fluidisierungs bedingungen der Wirbelschicht nur etwas über den minimalen für eine gegebene Reaktion liegen. Die relativ hohe Teil chendichte der Wirbelschicht zusammen mit minimalen Fluidi sierungsbedingungen verbessern die Wirksamkeit des Wärme übergangs innerhalb der Reaktionszone. Darüber hinaus sind die bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung relativ geringen Bewegungen der Feststoffteilchen vorteil haft in der Weise, daß die Teilchen in der Wirbelschicht nicht einer schweren mechanischen Belastung ausgesetzt wer den, die zu einer Erosion der Teilchen führen könnte.

Der erfindungsgemäße Reaktor ist bevorzugt vertikal oder stehend. Die bevorzugte Reaktionszone befindet sich im we sentlichen in einer ringförmigen Kammer, die zwischen der Außenwand und der Innenwand gebildet wird, die im wesent lichen zueinander konzentrisch sind. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform kann die Innenwand der Reaktionszone ein kleiner Zylinder innerhalb eines größeren Zylinders als Außenwand der Reaktionszone vorliegen. Der Ringraum zwischen den beiden Zylindern wird dann von der Wirbelschicht einge nommen. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Reaktor auch andere Formen und Konfigurationen für Reaktionsgefäß und Reaktionszone besitzen, solange ein Ringraum gegeben ist.

Die Durchmesser der Innen- und Außenwände der Reaktionszone hängen von Faktoren ab, die in gleicher Weise die Konstruk tion üblicher Wirbelschicht-Reaktoren beeinflussen ein schließlich Teilchengröße, Betthöhe, gewünschtes Ausmaß der Fluidisierung, Fluidisierungsgeschwindigkeit, Produktgröße, Dichte der Trägerteilchen und dergleichen; siehe hierzu Perry und Chilton, Chemical Engineer′s Handbook, Section 20, McGraw Hill, 1973, S. 64-74 und McCabe and Smith, Unit Operations of Chemical Engineering, 3. Auflage, 1976, McGraw Hill, S. 159-168. Die bevorzugten Dimensionen ergeben sich in erster Linie im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit. Die Reaktionszone soll nicht zu eng sein, weil dies zu Schwie rigkeiten bei der Austragung führen könnte, jedoch sollte sie auch nicht zu breit sein, weil dies zu steigenden Energiekosten sowie ungenügender Erwärmung und Fluidisierung führen würde.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Pyrolyse von Silan zu Silicium beträgt der Durchmesser der inneren Wand der Reaktionszone 15 bis 117 cm, vorzugsweise 20 bis 30 cm und der Durchmesser der Außenwand der Reaktionszone 20 bis 122 cm, vorzugsweise 38 bis 69 cm. Bei der bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um konzentrische Zylinder, in deren Ringraum sich die Reaktionszone befindet. Für die Bildung eines solchen Ringraums ist die Höhe des Außenzylinders gleich oder größer als die Höhe des Innenzylinders, wobei der Durchmesser des Innenzylinders 10 bis 95%, vorzugsweise 30 bis 75% des Durchmessers des Außenzylinders haben soll.

Nach der Erfindung befindet sich die Reaktionszone zwischen Außen- und Innen zylinder und wird von einer Wirbelschicht von Siliciumteil chen eingenommen. Das silanhaltige Gas und weitere eventuell vorhandene Trägergase strömen aufwärts durch die Wirbel schicht. Die Reaktionszone wird bei einer solchen Temperatur gehalten, daß eine heterogene Zersetzung von Silan zu Silicium stattfindet. Das Silicium scheidet sich bevorzugt auf den Siliciumteilchen in der Reaktionszone und nicht auf den Oberflächen der die Reaktionszone begrenzenden Wänden ab. Die Temperatur der Teilchen in der Reaktionszone liegt im allgemeinen zwischen der Temperatur, bei der die hetero gene Zersetzung des Silans beginnt, d. h. 200°C, und der Tem peratur, bei der Silicium schmilzt, d. h. 1400°C. Bevorzugt wird die Temperatur der Teilchen in der Reaktionszone bei 550°C bis 1000°C gehalten. Zur Aufrechterhaltung derartiger Temperaturen in der Reaktionszone muß Wärme zugeführt wer den; dies gelingt mit dem erfindungsgemäßen Reaktor.

Ein Faktor, der die Wärmezufuhr in die Wirbelschicht der Reaktionszone beeinflußt, ist die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Heizfläche. Im allgemeinen ist der Wärmeübergang bei gegebener Temperatur umso größer, je größer die verfügbare Heizfläche ist, oder mit anderen Wor ten ist es für die hohen Temperaturen der Reaktionszone wün schenswert, in dieser eine große Heizfläche zur Verfügung zu haben. Die große Heizfläche ermöglicht eine wirksamere Wär mezufuhr zu der Reaktionszone. Die Erfindung bringt nun ei nen Reaktor mit großer Heizfläche, weil eine zweite Wärme quelle vorgesehen ist, die die Innenwand der Reaktionszone beheizt. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor wird also in die Reaktionszone sowohl über die Innen- als auch über die Außenwand Wärme zugeführt.

Bei diesen Wärmequellen für Innen- und Außenwand handelt es sich um übliche Heizaggregate, wie Widerstandsheizung, In duktionsheizung und deren Kombinationen. Beispiele dafür sind Heizwicklungen, Systeme mit flüssigen Heizmedien, Wär meaustauschersysteme und dergleichen, wie sie üblicherweise für Reaktionsgefäße zur Anwendung gelangen. Die spezielle Art der Wärmequelle ist nicht kritisch, so lange auf Innen- und Außenwand der Reaktionszone entsprechend Wärmeenergie abgegeben wird. Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Reaktors sind die Heizelemente Wider stands-Heizelemente.

Die Erfindung wird an bei liegenden Zeichnungen näher er läutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt und die

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors.

Die Innenwand der Reaktionszone erhöht die wirksame Heiz fläche um 10 bis 95% der Heizleistung der Außenwand, vor zugsweise 30 bis 75%. Die größere Heizfläche gestattet die Einbringung von mehr Wärmeenergie in die Reaktionszone bei gegebener Temperatur für ein gegebenes Volumen der Wirbel schicht gegenüber der Wärmeenergie, welche in die Reaktions zone mit einer kleineren Heizfläche übertragen werden kann.

In den Reaktor 11 wird über Leitung 22 Silan und über Lei tung 24 Wasserstoff/Trägergas vorgemischt zugeführt. Das so gebildete Reaktionsgas tritt über Leitung 23 in die Reak tionszone 13 ein, und zwar durch die Gasverteilerplatte 25. Silan zersetzt sich in der Reaktionszone und das gebildete Silicium scheidet sich an der Oberfläche der Siliciumkeime 18 ab. Dadurch wachsen die Siliciumkeime an und die groben Produktteilchen 21 fallen in eine Sammelzone im unteren Be reich der Reaktionszone, von wo sie über die Ableitung 27 ausgetragen werden können. Das anfallende Nebenprodukt und Trägergas verlassen den Reaktor über die Ableitung 10.

Da bei diesem Verfahren die Siliciumkeime zu dem Silicium produkt anwachsen und als solches ausgetragen werden ist es notwendig, von Zeit zu Zeit Siliciumkeime über die Zuleitung 26 wieder in die Wirbelschicht einzuspeisen. Als Silicium keime läßt sich ein aufgemahlenes Siliciumprodukt verwenden.

Die Reaktionszonen 13 stellt den Ringraum zwischen der Innen wand 12 und der Außenwand 15 dar. Die Wirbelschicht wird aus den Siliciumkeimen 18 mit Hilfe des über Zuleitung 23 ein tretenden Gasgemischs gebildet.

Die Beheizung der Reaktionszone 13 erfolgt durch ein erstes Heizaggregat 16 an der Außenwand 15 und ein zweites Heiz aggregat 17 an der Innenwand 12. Damit sind Innen- und Außenwand als Heizflächen wirksam und damit ist die gesamte, für den Wärmeübergang auf die Wirbelschicht in der Reak tionszone 13 zur Verfügung stehende Heizfläche gegenüber üblichen Reaktoren mit nur Außenbeheizung wesentlich erhöht.

Aus der Fig. 2 entnimmt man die Reaktionszone 13, in der sich die Wirbelschicht aus den Siliciumkeimen 18 zwischen den Wänden 12 und 15 befindet, die ihrerseits mit den Heiz aggregaten 16 bzw. 17 ausgestattet sind.

Die Erfindung wird an folgendem Beispiel und einem Ver gleichsbeispiel weiter erläutert.

Vergleichsbeispiel

Eine übliche Wirbelschicht hatte einen Durchmesser von 29,5 cm und enthielt Siliciumteilchen mit einer Feinheit von 300 bis 800 µm. Als Trägergas diente ein Gasgemisch von 20 Vol.-% Silan und 80 Vol.-% Wasserstoff. Die Wirbelschicht befand sich in einem Glasrohr mit einer Stärke von 0,65 cm innerhalb eines Mantels aus korrosionsbeständigem Stahl mit einem Durchmesser von 50 cm, umgeben von einer Isolier schicht von 10 cm Stärke. Die Wärmezufuhr in die Wirbel schicht erfolgte über das Quarzrohr von Kanthal-Heizleitern mit einem Innendurchmesser von 40 cm und einer Betriebstem peratur von 1200°C, die sich in dem Mantel aus korrosions beständigem Stahl befanden. Die Heizleiter umfaßten eine Wirbelschicht mit einer Höhe 150 cm. Drei Flanschen mit Außendurchmesser 82 cm und einer Stärke von 9 cm dienten zur vertikalen Halterung des Mantels und für die Verbindung des Mantels mit Gasverteiler und den Ableitungen aus dem Reak tor. Der Gasverteiler war im unteren Bereich der Wirbel schicht vorgesehen und diente für die Zuführung von Träger gas und die Austragung von Siliciumprodukt. Der Verteiler hatte einen konischen Teil mit einer Höhe von 5 cm, großer Durchmesser 29,5 cm, kleiner Durchmesser 5 cm. Die Höhe des Mantels und Quarzrohres über der Wirbelschicht betrug 133 cm.

Der Druck im Reaktor wurde bei 2 bar gehalten und die ober flächliche Trägergasgeschwindigkeit am Verteiler bei 70 cm·s. Die Temperatur betrug im oberen Bereich der Wir belschicht 923 K und im unteren Bereich 823 K, am Gasver teiler 523 K. Der freie Raum in der Wirbelschicht war 0,4. Die thermischen Daten waren die folgenden:

Wärmeübergangs-Koeffizient von Wand auf Wirbelschicht: 0,00717 cal/cm²·s·K
Wärmeleitfähigkeit der Wand: 0,0116 cal/cm·s·K
Strahlung der Wand: 0,60
Wärmeleitfähigkeit der Isolation: 3,45 10^-5 cal/cm·s·K
Wärmekapazität des Siliciums: 0,168 cal/g·K

Berücksichtigt man das Wärmeangebot und die Wärmeverluste bei

(1) Verteiler,
(2) ausgetragenem Produkt sowie Abgas,
(3) Flanschen,
(4) Abstrahlung oben und unten von der Wirbelschicht,
(5) Isolation,
(6) Reaktion des Silans und
(7) Heizelementen

und nimmt man an, daß

(1) die Temperatur der Wirbelschicht überall konstant ist mit Ausnahme eines geringen Bereichs im unteren Teil der Wirbelschicht;
(2) die Temperatur des Quarzrohrs konstant ist;
(3) die Temperatur des Verteilers konstant ist;
(4) der Wärmeübergang aus dem Bett und Verteiler nur von deren Temperatur abhängig ist;
(5) der Wärmeübergang von den Heizelementen und dem Quarz rohr nur durch Strahlung erfolgt;
(6) die Gase mit Raumtemperatur 300 K eintreten und die Wirbelschicht mit deren Temperatur verlassen und
(7) die Wirbelschicht und die Heizelemente als schwarze Körper angesehen werden können,

so ergibt sich der Wärmeübergang aus den Heizelementen auf die Wirbelschicht mit 0,656 kW/cm Wirbelschicht-Höhe.

Beispiel

An zwei konzentrischen Zylindern wurden Kanthal-Heizelemente vorgesehen; die Wirbelschicht wurde aus Siliciumteilchen mit einer Korngröße von 300 bis 800 µm aufgebaut, Innendurchmes ser der Wirbelschicht 22,9 cm und Außendurchmesser 38,1 cm, Querschnitt der Wirbelschicht 730 cm², entsprechend dem Querschnitt der im Vergleichsbeispiel vorliegenden Wirbel schicht. Zu der Wirbelschicht führten 12 konische Gasvertei ler unterhalb des ringförmigen Raums zwischen den beiden Zylindern. Als Trägergas diente ein Gasgemisch von 20 Vol.-% Silan und 80 Vol.-% Wasserstoff; gröbere Teilchen setzten sich aus der Wirbelschicht ab.

Die konischen Verteiler waren 1,3 cm hoch und hatten großen Durchmesser 7,6 cm und kleinen Durchmesser 2,5 cm. Die Innenwand in Form eines Quarzrohrs hatte eine Stärke von 0,65 cm und befand sich in einem Stahlmantel mit Durchmesser 62,5 cm, umgeben von einer Isolierschicht von 10 cm. Der Innendurchmesser 22,9 cm der Wirbelschicht wird begrenzt von dem Quarzrohr mit einer Stärke von 0,65 cm. Die Heizleiter befanden sich auf der Innenseite des Stahlmantels und dien ten zur Erwärmung von außen. Heizleiter aus Kanthal mit einem kleineren Durchmesser als das Quarzrohr dienten zur Erwärmung der Wirbelschicht von innen durch das Quarzrohr. Die im Stahlmantel befindlichen Heizleiter hatten einen Außendurchmesser von 62,5 cm und einen Innendurchmesser von 52,5 cm. Die am Quarzrohr vorgesehenen Heizleiter hatten einen Durchmesser von etwa 10 cm. Die Betriebstemperatur der Heizleiter war 1200°C und umschlossen eine Wirbelschicht höhe von 92,7 cm. Drei Flanschen am Stahlmantel mit einem Außendurchmesser von 94,5 cm und einer Stärke von 9 cm dienten zur Fixierung des Reaktors und der Gasverteiler und Ableitungen aus dem Reaktor. Der Mantel und das Quarzrohr erstreckten sich 170,3 cm über die Wirbelschicht.

Der Reaktor wurde bei einem Druck von 2 bar und einer ober flächlichen Fluidisierungsgasgeschwindigkeit am Verteiler entsprechend der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit für 800 µm Teilchen gehalten, nämlich bei etwa 70 cm/s. Die Temperaturen lagen bei der Wirbelschicht oben bei 923 K und unten bei 823 K und am Gasverteiler bei 523 K. Der freie Raum der Wirbelschicht im fluidisiertem Zustand betrug 0,4 und die kalorischen Daten entsprachen denen, die bei dem Vergleichsbeispiel angegeben worden sind.

Unter Berücksichtigung des gleichen Wärmeangebots und der gleichen Wärmeverluste des Vergleichsbeispiels und unter der gleichen Annahme des Vergleichsbeispiels betrug die Wärme übertragung von den Heizleitern auf die Wirbelschicht 1,35 kW/cm Wirbelschichthöhe - gegenüber nur 0,656 kW/cm des Vergleichsbeispiels -.

Die Erfindung gestattet die Einbringung von mehr Wärmeener gie in eine Wirbelschicht gegebener Höhe und gegebenen Quer schnitts gegenüber üblichen Methoden. Die erhöhte Wärmeüber tragung je Einheit der Wirbelschichthöhe gestattet es, die Umsetzungen mit Wirbelschichten geringerer Höhe durchzufüh ren, ohne daß dies zu einer insgesamt geringeren Wärmeüber tragung führen würde. Die weniger hohen Wirbelschichten ha ben ein besseres hydrodynamisches Verhalten gegenüber höhe ren Wirbelschichten und gestatten daher die Einbringung des Wärmeflusses in größerer Nähe zu den ersten Reaktionszonen, die üblicherweise die unteren Bereiche des Reaktors einneh men.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von hochreinem polykristallinem Silicium durch Pyrolyse eines Silans, bei dem man das Silan in die Reaktionszone eines beheizbaren Wirbelschicht-Reaktors ein führt, wobei das silanhaltige Gas und weitere eventuell vorhan dene Trägergase aufwärts durch die Wirbelschicht strömen und wobei eine ringförmige Wirbelschicht in einer Reaktionszone (13) zwischen zwei konzentrisch zueinander angeordneten Zylin dern, von denen der innere Zylinder eine beheizbare Innenwand (1) und der äußere Zylinder eine beheizbare Außenwand (15) aufweist, ausgebildet wird, wobei man die Temperatur der Teil chen in der Reaktionszone bei 200 bis 1400°C, vorzugsweise bei 550 bis 1000°C, hält.

2. Wirbelschichtreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Innenzylinders mit der beheizbaren Innenwand (12) 10 bis 95% des Durchmessers des Außenzylinders mit der beheizbaren Außenwand aufweist, die Beheizung der Wände durch Induktions heizung, Widerstandsheizung oder Wärmeleitung erfolgt und die von der Innenwand zur Verfügung gestellte Heizfläche 10 bis 95% der Heizfläche der Außenwand beträgt.