DE69625688T2

DE69625688T2 - Verfahren und vorrichtung zur abscheidung von silizium in einem wirbelschichtreaktor

Info

Publication number: DE69625688T2
Application number: DE69625688T
Authority: DE
Inventors: M. Lord; J. Milligan
Original assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Current assignee: Advanced Silicon Materials LLC
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2016-06-08
Also published as: WO1996041036A3; TW541367B; EP0832312A2; EP0832312B1; JPH11510560A; DE69625688D1; WO1996041036A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Chemical- Vapor-Deposition-("chemische Dampabscheidungs-")-(CVD)-Reaktionen auf Keimpartikel, die in einem CVD-Reaktor erzeugt werden, und insbesondere verbesserte Techniken zum Umwandeln von Siliziumträgergasen in polykristallines Silizium in einem festen Zustand.

DEFINITIONEN

Im Sinne dieser Offenbarung werden die folgenden Begriffe im gesamten Text mit den angegebenen Definitionen verwendet:
Amorphes Silizium: festes Silizium ohne regelmäßig wiederkehrende Atomstruktur. Amorphes Silizium kann sich bilden, wenn sich die Atome aus irgendeinem Grund nicht richtig zueinander anordnen können, wenn beispielsweise ihre Beweglichkeit bei geringer Temperatur eingeschränkt ist. Amorphes Silizium kann abhängig von den Voraussetzungen beim Entstehungsvorgang hydriert oder nicht hydriert sein.
Totzone: ein Bereich zwischen einem Fluidisierbett, wo eine geringfügige oder keine Bewegung von Partikeln bestehen, die das Bett bilden. Falls die Partikeln klebrig sind, beispielsweise oberhalb der Tammann-Temperatur, neigen sie dazu, sich in Totzonen wegen des Fehlens eines ausreichenen Antriebs zu sammeln.
Dichtphasensegregation: eine Segregation von Festkörperpartikeln der Größe nach findet innerhalb eines fluidisierbettentypischen Bereichs statt, wo der Bettenhohlraumanteil (&epsi;) zwischen 0,35 und 0,55 liegt. Betrieb in diesem Bereich bedeutet, daß die Partikel nahe genug aneinander liegen, so daß sie eher gemeinsam als einzeln behandelt werden. Diese Segregation kann innerhalb des Fluidisierbett-CVD-Reaktors stattfinden und erfordert nicht unbedingt einen separaten Behälter. In dem Fluidisierbettbereich liegen üblicherweise ganz ungleichmäßige Bedingungen vor. Die Segregation wird unter Ausnutzung von Geschwindigkeits- und Druckgradienten bewirkt, die normalerweise vorliegen oder in dem Bett aufgrund der Geometrie des Behälters hervorgerufen werden.
Verdünnphasensegregationen: eine Segregation von Festkörperpartikeln der Größe nach findet innerhalb des drucklufttransporttypischen Bereichs statt, wo der Hohlraumanteil (&epsi;) bei über 0,8 liegt. Betrieb in diesem Bereich bedeutet, daß die Partikel in einem ausreichenden Abstand voneinander liegen. Bei einem Hohlraumanteil von über 0,99 und bei einem Behälter-zu-Partikel-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 100 werden die Partikel eher einzeln als gemeinsam behandelt. Bei einem Hohlraumanteil zwischen 0,8 und 0,99 und einem Behälter- zu-Partilel-Durchmesser-Verhältnis von weniger als 100 besteht eine Wechselwirkung zwischen benachbarten Partikeln und der Wand des Behälters, was als Konzentrationseffekte beziehungsweise Wandeffekte oder als Hindernis für eine gemeinsame Ablagerung bekannt ist.
Diese Segregation findet üblicherweise in einem Behälter statt, der von dem Fluidisierbettreaktorbehälter getrennt ist, oder setzt Inneneinrichtungen in dem Reaktorbehälter voraus, um einen verdünnten Bereich für die Segregation zu erzeugen. Die Segregation wird entsprechend dem Stokesschen Gesetz oder mittels Trennung durch End- oder Restgeschwindigkeit mit oder ohne verhinderte Ablagerung durchgeführt, was in dem Kapitel mit dem Titel "Particle Dynamics" in Perry's Chemical Engineers's Handbook, 6th Ed. von R. H. Perry and D. Green, McGraw-Hill (New York, NY) 1984, Seiten 5-63 bis 5-68 ausführlich beschrieben ist.
Verdünngas: irgendein Gas aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff (H&sub2;), Helium (He), Argon (Ar), Neon (Ne), Krypton (Kr), Xenon (Xe) und einer Mischung aus diesen.
Körnige Filtration: Entfernen von Partikeln aus einem Gasstrom, was dadurch bewirkt wird, daß der Gasstrom ein Bett aus Partikeln durchströmt, die üblicherweise größer als die zu entfernenden Partikel sind. Die Theorie der körnigen Filtration wird in dem Kapitel mit dem Titel "Gas-Solids Separation" in Perry's, 6th Ed., Seiten 20-75 bis 20-82 mit einigen Referenzen ausführlich beschrieben. Die Anwendung einer körnigen Filtration in Fluidisierbetten wird kurz auf den Seiten 20-104 beschrieben.
Halogenhaltiges Gas: irgendein Gas aus der Gruppe, bestehend aus Chlor (Cl&sub2;), Wasserstoffchlor (HCl), Dichlorsilan (SiH&sub2;Cl&sub2;), Trichlorsilan (SiHCl&sub3;), Silizium-Tetrachlor (SiCl&sub4;), Brom (Br&sub2;), Wasserstoffbrom (HBr), Dibromsilan (SiH&sub2;Br&sub2;), Tribromsilan (SiHBr&sub3;), Siliziumtetrabrom (SiBr&sub4;), Iod (I&sub2;), Wasserstoffiod (HI), Diiodsilan (SiH&sub2;I&sub2;), Triiodsilan (SiHI&sub3;), Siliziumtetraiod (SiI&sub4;) und einer Mischung davon.
Wärmelichtquelle: kohärente oder inkohärente elektromagnetische Strahlung, wie Mikrowellenstrahlung, Radiofrequenzstrahlung, sichtbare Lichtstrahlung, Infrarotstrahlung oder ultraviolette Strahlung, welche eine Wellenlängenverteilung aufweist, so daß die von einem Siliziumträgergas innerhalb des Einlasses in den CVD-Reaktor absorbierte Energie nicht ausreicht, um einen vorzeitigen Abbau zu veranlassen, und so daß Restenergie von Siliziumkörnern in dem Reaktor absorbiert wird.
Hochreines siliziumenthaltenes Konstruktionsmaterial: irgendein Material aus der Gruppe, bestehend aus monokristallinem Silizium (Six), polykristallinem Silizium (Si), Silica (SiO&sub2;), Siliziumkarbid (SiC), mit Kohlenstoff (C) beschichtetem Siliziumkarbid (SiC) und Siliziumnitrid (SiN).
Strahldurchtrittslänge (P): der Weg, den ein Gasstrahl in ein Partikelbett eindringen wird. Für nach oben gerichtete Strahlen wird die Strahlsdurchtrittslänge als Anteil zum Öffnungsdurchmesser wie folgt berechnet
P/Do = 52·log&sub1;&sub0;(uo·ρi1/2) - 98,046 (1)
wobei P = Strahldurchtrittslänge [=] cm
Do = Öffnungsdurchmesser [=] cm
Uo = Öffnungsgeschwindigkeit [=] cm/s
ρi = Einlassgasdichte [=] g/cm³
Die oben angegebene Gleichung wurde aus Fig. 30 in Zenz, F. A., "Fluidization and Fluid Particle Systems, Vol. II Draft", Pemm-Corp Veröffentlichungen (Nelsonville, NY, 1989) Seite 148 abgeleitet.
Kinetische Energie: die kinetische Energie wird pro Zeiteinheit angegeben. Für einen Gasstrom kann die kinetische Energie mathematisch für das Schleifen beschrieben werden als
Pk = G·v²/2 (2)
wobei Pk = kinetische Energie [=] Masse·Länge²/Zeit³
G = Massenflußgeschwindigkeit durch eine Öffnung = ρ·Q [=] Masse/Zeit
ρ = Gasdichte [=] Masse/Länge³
Q = Volumenstromrate durch eine Öffnung [=] Länge³/Zeit
v = Gasgeschwindigkeit durch die gleiche Öffnung [=] Länge/Zeit
Die Gasgeschwindigkeit v ist mit dem Volumenstrom in Beziehung gesetzt als
v = Q/S (3)
wobei S = Querschnittsbereich der Öffnung [=] Länge².
Die Gasdichte kann durch die mit einer Verdichtbarkeit modifizierte Idealgasgleichung beschrieben werden als
ρ = M·P/Z·R·T (4)
wobei M = Molekulargewicht [=] Masse/mol
P = absoluter Druck [=] Kraft/Länge²
Z = Verdichtbarkeit [=] dimensionslos
R = Gaskonstante [=] Einheiten konsistent mit Gleichung, z. B. 82,057 cm³· atm/(g-mol·K)
T = absolute Temperatur [=] Temperatur,
und der Querschnittsbereich der Öffnung kann in Bezugnahme des Öffnungsdurchmessers beschrieben werden als
S = (π/4)·Do² (5)
wobei Do = Öffnungsdurchmesser [=].
Die Gleichungen 3, 4 und 5 in die Gleichung 2 substituieren
Pk = 8·(R/π)²·(T/P)²·(Z/M)²·G³/Do&sup4;. (6)
Die ersten Faktoren sind konstant. Temperatur und Druck stehen unter dem Einfluß des Operators. Eine Zunahme der Temperatur wird die kinetische Energie zunehmen lassen, während eine Druckzunahme die kinetische Energie abnehmen lässt. Die Verdichtbarkeit und das Molekulargewicht sind Eigenschaften des gewählten Gasstroms. Die Verdichtbarkeit gewinnt an Bedeutung, wenn die Betriebsbedingungen eine kritische Temperatur und einen kritischen Druck für das Gas erreichen. Die Massenflußrate ist proportional zu einem Faktor hoch drei. Der Öffnungsdurchmesser ist eine strenge Funktion umgekehrt proportional zur vierten Energie. Wesentliche Verfahrensänderungen, wie der Austausch des Siliziumträgergases, können durch eine Änderung des Öffnungsdurchmessers kompensiert werden.
Minimale Fluidisiergeschwindigkeit (umf): die Oberflächengasgeschwindigkeit durch ein Bett aus Partikeln hindurch, unter welcher das Bett stationär bleibt. Die minimale Fluidisiergeschwindigkeit wird berechnet unter der Benutzung der folgenden Gleichung:
umf = [dp/φ]²·[&epsi;³/(1 - &epsi;)]·[g/181]·[(ρp - ρg)/ug]
wobei umf = minimale Fluidisiergeschwindigkeit [=] cm/s
dp = Partikeldurchmesser [=] cm
φ = sphärische Partikelgestalt [=] dimensionslos
&epsi; = Betthohlraumanteil [=] dimensionslos
g = Erdbeschläunigungskonstante = 980 cm/s²
ρp = Partikeldichte [=] g/cm³
ρg = Gasdichte [=] g/cm³
ug = Gasviskusität [=] g/cm/s = P.
Partikel-Raynoldszahl (Rep): eine dimensionslose Gruppe, die das Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften beschreibt und mathematisch (mit gleichen Einheiten) berechnet wird als
Rep = ρg·ug·dp/ug
wobei Rep = Reynoldszahl [=] dimensionslos
ρg = Gasdichte [=] Masse/Länge³
ug = Oberflächengasgeschwindigkeit [=] Länge/Zeit
dp = Partikeldurchmesser [=] Länge
ug = Gasviskosität [=] Masse/Zeit
Polykristallines Silizium: Festkörpersilizium, das aus Atomen zusammengesetzt ist, die in einem dreidimensionalen periodischen Gitter angeordnet sind, wobei das periodische Gitter an Grenzen unterbrochen ist.
Popcorning (Puffern): ein für das Kristallziehen verwendeter Begriff, um das unerwünschte Phänomen kleiner Explosionen von ungeschmolzenen Festkörpern zu beschreiben, wenn sie in einem flüssigem Bad schmelzen, wobei Festkörperbruchstücke und ein gewisse Menge Flüssigkeit weggeschleudert werden. Dieses weggeschleuderte Material kann auf den einzelnen Kristallkorn landen und unter Umständen Kristalldefekte hervorrufen.
Siliziumträgergas: irgendein Gas aus der Gruppe, bestehend aus Silan (SiH&sub4;), Disilan (Si&sub2;H&sub6;), Dichlorsilan (SiH&sub2;Cl&sub2;), Trichlorsilan (SiHCl&sub3;), Siliziumtetrachlor (SiCl&sub4;), Dibromsilam (SiH&sub2;Br&sub2;), Tribromsilam (SiHBr&sub3;), Siliziumtetrabrom (SiBr&sub4;), Diiodsilan (SiH&sub2;I&sub2;), Triiodsilan (SiHI&sub3;), Siliziumtetraiod (SiI&sub4;) und Mischungen davon.
Gleitschichtpulver: irgendein Pulver aus der Gruppe, bestehend aus Silika (SiO&sub2;), Siliziumkarabid (SiC), Siliziumnitrid (SiN), Alumina (Al&sub2;O&sub3;), Kohlenstoff (C) und Mischungen davon.
Eingetauchtes Sprudelbett: eine Masse von Festkörperpartikeln werden durch einen nach oben gerichteten Gasstrahl ausgebreitet und schwebend gehalten, so daß die Masse oder das Bett von Partikeln viele Eigenschaften einer Flüssigkeit zeigen. Der Strahl bildet eine Verdünnphase, in welcher die Partikel angetrieben und schnell nach oben gelenkt werden, allerdings die Oberfläche der Emulsion oder Dichtphase, welche den Strahl (was typisch für Sprudelbetten ist) umgibt, wegen der Tiefe des Partikelbetts über dem Strahl nicht verlassen. Während dieses Phänomen bei Eingangsstrahlen in allen Gasverteilungsnetzen auftreten kann, ist es normalerweise unbedeutend und wird ignoriert und tritt am häufigsten auf, wenn es einen einzigen nach oben gerichteten Eingangsgasstrahl gibt.
Tammann-Temperatur: Bei dieser Temperatur zeigt die Oberfläche eines Festkörpers eine ausgeprägte Aktivitätsänderung; beispielsweise nimmt die Oberflächenreaktionsrate üblicherweise signifikant zu, und Siliziumkörner werden klebrig. Die Tammann-Temperatur kann mit 52% der absoluten Schmelztemperatur des Materials mathematisch näherungsweise bestimmt werden.
Konischer Bereich: ein Abschnitt eines Fluidisierbettreaktors, bei dem die Wand des Behälters derart aufgebaut ist, daß der Behälter-Durchmesser mit zunehmender Höhe zunimmt, um eine Dichtphasensegregation innerhalb des umgebenen eingeschlossenen Fluidisierbetts zuzulassen.
Transportfreigabehöhe (TDH): die Entfernung von der Oberfläche eines Fluidisierbetts aus Festkörpern, über welcher ein Partikelantrieb nicht länger nachläßt und sich das Gasgeschwindigkeitsprofil stabilisiert hat und die effektive Oberflächengeschwindigkeit als voluminöser Gasstrom angenommen werden kann, der die Bettoberfläche verläßt, die von dem Bettquerschnittsbereich geteilt ist. Die TDH kann mit Hilfe des Verfahrens von Zenz und Weil berechnet werden, welches Verfahren in Zenz, F. A., Weil, N. A. A. I. Ch. E. J. 4 472 (1958) aufgefunden werden kann und häufig in Fluidisierungsdokumenten und -artikeln zitiert wird.

ABRISS DER ERFINDUNG

Die wesentlichen Merkmale des Reaktorsystems der Erfindung werden in Anspruch 1 definiert. Die wesentlichen Merkmale des entsprechenden Verfahrens werden in Anspruch 10 definiert. Bevorzugte Ausführungen werden in den Ansprüchen 2 bis 9 bzw. 11 bis 20 definiert.
Um einen besonderen Abschluß zu erreichen, anstatt nur mit dem zu beginnen, was vorher getan wurde, und anstatt maginale Verbesserungen vorzunehmen, wird eine Definition des gewünschten Produkts und des gewünschten Verfahrens hier vorgestellt. Das polykristalline Siliziumprodukt in körniger Form sollte eine so groß wie mögliche Durchschnittspartikelgröße etwa in einem Bereich zwischen 1 mm und 3 mm, wobei eine so enge Partikelgrößenverteilung wie möglich am bevorzugsten hin zu größeren Abmessungen bestehen soll. Die Körner sollten rund (sphärisch), glänzend (hochkristallin), staubfrei sein, die gleichen Akzeptor/Donator-, die gleichen Metall- und Kohlenstoffanforderungen wie ein großes polykristallines Siliziumstück erfüllen und einen niedrigen Wasserstoffgehalt aufweisen, um das Popcorning in dem Kristallzüchter zu vermeiden. Das Verfahren soll kosteneffektiv, energiesparend, robust, leicht zu betreiben, leicht zu automatisieren, leicht zu steuern, selbst korrigierend sein, keine Unreinheiten einbringen und, falls möglich, in einem einzigem Reaktor stattfinden. Insbesondere sollte das Verfahren eine interne Eigenkeimbildung und eine Segregation mit einem selektiven Entfernen von großen Körner gewährleisten, eine Wasserstoffkontamination der Körner vermeiden und ein Verfahren zum Entfernen und Verpacken des Produkt beinhalten, ohne es zu kontaminieren.
Hoch reines Silizium und andere Materialien werden umfangreich zur Produktion von Halbleiterbauteilen eingesetzt. Hoch reines Silizium wird üblicherweise durch einen thermischen Abbau von Siliziumträgergasen, wie Silan, Dichlorsilan, Trichlorsilan oder Tribromsilan, erhalten, die veredelt sind, um im wesentlichen alle Verunreinigungen zu beseitigen. Der thermische Abbau wird an einer erwärmten Oberfläche erreicht, die mit dem elementaren Silizium beschichtet wird, das von dem Siliziumträgergas abgegeben wird. Das Verfahren wird Chemical-Vapor-Deposition (CVD) (Chemische Dampfablagerung) bezeichnet. Um eine Kontamination zu vermeiden, ist es wünschenswert, daß die Ausgangs- oder Keimfläche, an welcher die CVD stattfindet, auch aus einem hoch reinem Silizium besteht. Die standardisierte Industrietechnik, wie bei Heißdraht- oder Simensreaktoren, verwendet hoch reine Stäbe als Keimfläche. Diese Technik ist hinsichtlich der Investitions- und des Betriebskosten teurer, weswegen es wünschenswert ist, eine verbesserte Technologie einzuführen. Fluidisierbettenreaktoren bieten die Möglichkeit, einen Großflächenbereich von erwärmtem Silizium in Kontakt mit einem Siliziumträgergas zu bringen. Versuchs- sowie Realfluidbettreaktoren wurden für die Produktion von Elektronikqualitätssilizium konstruiert; allerdings leidet die bekannte Technik an ernsten Betriebs- und Reinheitsschwierigkeiten und realisieren keine Vollwärmeauslastung und keine vollständige Siliziumumwandlung.
Die Technologie für Fluidisierbettenreaktoren wurde in der petrochemischen Industrie als kosteneffektive Maßnahme entwickelt, um einen Festkörperreaktanten oder katalytische Partikel in Kontakt mit einem Reaktionsgas zu bringen. Der kommerzielle Erfolg der Technologie führte zu Nachforschungen über Anwendungen dieser Technologie im Siliziumabbau. Viele Patente wurden bezüglich der Abscheidung vom Siliziumträgerkomponenten auf Siliziumpartikel erteilt. Ein eine Siliziumträgerkomponente enthaltendes Gas wird durch ein Fluidisierbett aus Siliziumkeimpartikeln bei einer Temperatur durchgeführt, die üblicherweise bei 400ºC bis 1200ºC hoch genug ist, um die Siliziumträgerkomponente abzubauen. Elementares Silizium wird anschließend auf die Keimpartikel abgeschieden, wodurch sie sich vergrößern.
Wenn jedoch Fluidisierbetten für die Produktion von elementarem Silizium verwendet werden, sind große praktische Schwierigkeiten bezüglich des Betriebs und der Reinheit zu berücksichtigen. Wenn die Siliziumpartikel in dem Bett wachsen, neigen sie dazu, unter Bildung von Ansammlungen aneinander zu kleben. Sie bleiben auch an anderen Oberflächen in dem Reaktor einschließlich der Reaktorwand, Reaktorinnenanlagen und dem Partikelträger oder dem Gasverteilungsnetz haften. Solche Abscheidungen oder Ansammlungen können zu einer Verstopfung des Reaktors oder des Netzes mit abgelagertem Silizium oder Siliziumpartikeln führen, was einen kontinuierlichen Betrieb des Reaktors unterbricht. Die Erosion der Reaktorwand, die von den Verdünngasen oder zugeführten Keimen herrührende Kontamination sowie das Ernten und Behandeln der Produktsiliziumkörner machen das Silizium unrein.
Die Verwendung von Siliziumkörnern ist hauptsächlich dazu da, einzelne Kristallsiliziumkeime in einem Czochralski-Kristall-Züchter wachsen zu lassen. Solche Züchter sollen insbesondere dazu fähig sein, die Körner, eine Oberflächenkontamination der Körner, den Wasserstoffgehalt der Körner und das Kornverhalten beim Schmelzen zu beeinflussen. Großer Aufwand wurde unternommen, um diese Aufgaben zu lösen, wie in dem US-Patent mit der Nummer 5,037,503 von Kajimoto et al. dokumentiert ist. Forscher haben dies soweit mit großem Aufwand erreicht, jedoch in erster Linie deswegen, weil einige der Schlüsselergebnisse, auf denen der Erfolg des Transfers der Fluidisierbettentechnologie von der Petrochemie (Produktion von organischen oder kohlenstoffbasierten Produkten) auf die Siliziumproduktion basiert, nicht einmal einen auf diesem Gebiet bewanderten Fachmann einleuchten.
Die Entwicklung von fluidisierten Bettenreaktoren, deren Ursprung in der petrochemischen Industrie bei der Entwicklung von dem Fluidkatalyse-Cracker ist, war darauf ausgerichtet, das Zerreiben von feinen Katalysepartikeln zu minimieren.
Weitere Anstrengungen wurden auch auf dem Gebiet der petrochemischen Industrie mit der Entwicklung des Fluidisierverkoken von Schwerölprodukten unternommen. Leffer beschreibt beispielsweise eine solche Fluidisierkarbonisiereinrichtung in seinem US-Patent mit der Nummer 2,606,144.
Als diese Fluidbetttechnologie von der petrochemischen Industrie auf die Produktion von Polysilizium übertragen wurde, wurden gewisse versteckte Thesen mitübernommen: die geringe Zerreibung war gewünscht, innerhalb des Reaktors selbst soll nicht geschliffen werden und feine Keimpartikel seien geeignet. Eine ähnliche Technologie wurde von Brown et al. bei General Atomic gemäß dem US-Patent mit der Nummer 4,080,927 entwickelt, nämlich ein Verfahren zum Abscheiden einer pyrolytischen Kohlenstoffschicht über einen Kernbrennstoffpartikel. Diese Technik wurde beim Entwickeln einer Technologie für den Siliziumfluidisierbettenreaktor verwendet, allerdings noch einmal sei betont, daß die Technik das absichtliche Brechen von Siliziumpartikeln vermeidet, um neue Keime zu bilden. Es sei angemerkt, daß Arbeiten durchgeführt wurden, indem Strahlen verwendet wurden, um einen Keim für fluidisierte Karbonisierer von Dunlop et al., CEP, 54, 39 (1958) zu bilden, wobei Partikel innerhalb des Reaktors mit oder ohne Targets und Jets geschliffen wurden; dies wurde allerdings nicht bei einer Polysiliziumtechnologie verwendet, außer bei Iya in dem US-Patent mit der Nummer 4,424,199.
Das US-Patent 4,424,199 offenbart eine Silanpyrolyse in einem Fluidisierbett, wobei fluidisierte Siliziumpartikel verwendet werden, um Abscheidungen auf einem Siliziumprodukt zu erhalten, und schlägt die Erzeugung von kleinen Keimpartikeln in der Boot- Separatorsammelkammer vor.
Bei dem bekannten Verfahren zum Keimbereiten ergibt sich außen eine Kontamination durch den Behälter, in welchem Keime durch eine bestimmte Schleiftechnik erzeugt werden. Die Schwierigkeit beim Erzeugen eines hochreinen Keims zur Produktion von Silizium wurde von Iya in dem US-Patent mit der Nummer 4,424,199 erkannt, das einen Gasstrahl offenbart, der in einen Verdünnstrom aus Partikeln in dem Trennungsraum eines Silanpyrolysereaktors nach unten gerichtet ist, wodurch die Körner zusammenstoßen und sich verfeinern. Der Hauptsiliziumträgergasfluß wird über dem Raum eingeblasen und nach oben in den Reaktor gelenkt und wird auf keinen Fall für die Erzeugung von Keimen genutzt. Anstattdessen wird ein kleiner Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Verdünngases in entgegengesetzter Richtung durch eine Düse gelenkt.
Es ist schwierig, die Durchschnittspartikelgröße in dem Reaktor zu regeln, indem geringe Mengen eines sehr kleinen Keims zugeführt oder erzeugt werden, sogar noch schwieriger, wenn dies schubweise unternommen wird. Die Wachstumsperioden des Keims können tagelang dauern, und Änderungen der Verfahrensbedingungen innerhalb des Reaktors können stündlich auftreten. Folglich ist es schon an sich sehr schwierig, die Partikelgröße in dem Reaktor zu regeln, und daher gibt es noch keinen Bericht darüber, wie eine derartige Regelung erreicht werden kann, noch gibt es eine Angabe der wichtigen Parameter.
Die Erfindung stellt eine verbesserte Technik zum Abscheiden von Festkörpersilizium auf Siliziumkörner in einem Fluidisierbettenreaktor mit Hilfe eines Siliziumträgerausgangsgases bereit, wobei ein einziger Einlaßstrahl anstatt eines Verteilers genutzt wird, wobei der Siliziumträgerausgangsgasstrahl herangezogen wird, um ein kleines Stück aus den Siliziumkörnern in dem Einlaßbereich des Reaktors herauszubrechen, um kleinere, neue Keime bildende Partikel zu bilden, an welchen schließlich ein Anwachsen veranlaßt werden soll. Die kinetische Energie des ankommenden Gases wird derart kontrolliert, daß sie ausreichend groß, um die gewünschte Partikelmenge heraus zu brechen, jedoch nicht zu groß ist, daß zu viele Partikel ausgebrochen werden, was die Durchschnittsproduktpartikelgröße unter der gewünschten verkleinern würde. Der Einlaßstrahl ist dazu ausgelegt, einen eingetauchten Sprudelbereich bereitzustellen, so daß die großen Körner in dem Einlaßbereich kontinuierlich zirkulieren und auf diese Weise nicht dazu neigen, sich zu sammeln, was sie tun würden, falls sie eine gewisse Zeit lang stehen bleiben würden, es sei denn, die Geschwindigkeit des Gases ist geringer als die minimale Fluidisiergeschwindigkeit.
Die Keimerzeugungsmenge kann online innerhalb eines engen Bereichs geregelt werden, indem die von dem Strahl abgeleitete kinetische Energie eingestellt wird. Wenn die Energie zunimmt, werden kleinere Keime in größerer Menge erzeugt. Die kinetische Energie kann durch Zunahme des Massen- oder Volumenstroms zunehmen und steigt somit aufgrund einer Temperaturzunahme an, nimmt allerdings bei einem Druckabfall ab. Die kinetische Energie kann dadurch verändert werden, daß die Eigenschaften des Einlaßgases beispielsweise durch Verdünnen geändert werden. Große Änderungen bei der Keimerzeugung erfordern jedoch die Änderung der Öffnung, wobei es sich dabei um eine Veränderung handelt, die nicht online durchgeführt werden kann. Die Zahl von erzeugten Keimen muß gleich der Zahl von geernteten Körnern sein. Dies erfordert einen vernünftige Einsatz der Massenflußratenregelung für die kinetische Energie, weil eine erhöhte Massenflußrate des Siliziumträgergases einen direkten Einfluß auf das Materialgleichgewicht ausübt, wenn mehr Silizium dem Reaktor zugeführt wird. Dies selbst macht eine zusätzliche Schleifmaßnahme notwendig, nur um das Entwicklungsgleichgewicht zu erhalten. Mit einem geeigneten Aufbau werden Keime kontinuierlich und anlagenintern erzeugt, so daß es kein Bedürfnis dafür gibt, den Betrieb in irgendeiner Weise zu unterbrechen, um den Keim zu injizieren, womit ein Kippen des Entwicklungsgleichgewichts vermieden wird. Auf diese Weise wird sowohl das Problem des Einbringens von Verunreinigungen in den Keim als auch das Problem der externen Regelung des Entwicklungsgleichgewichts innerhalb des Reaktors auf einfache Weise gelöst.
Ein zusätzliches den bekannten Fluidisierbetten zuzuordnendes Problem besteht darin, daß es keine effektive Lösung gibt, die großen zu entfernenden Partikel als Produkt von den kleinen Partikeln zu trennen, die dem Bett als Keime zugeführt worden sind. D. h., das aus dem Bett entfernte Produkt besitzt eine breite Partikelgrößenverteilung, die eine größere Menge an kleinen Keimpartikeln als gewünscht aufweist. Ingle erkannte dies in dem US-Patent mit der Nummer 4,416,913, in welchem versucht wurde, Keimpartikeln kontinuierlich zirkulieren zu lassen, während größere Partikel von der Basis des Reaktors mit einer komplexen Anordnung von Reaktoren-Inneneinrichtungen beseitigt werden.
Die von Ingle vorgeschlagene Technik kann als ähnlich zu der von Leffer bei einem Karbonisierer verwendeten Technik angesehen werden und beruht ausdrücklich auf ein Antreiben der Partikel gemäß dem Stokesschen Gesetz, was nur bei einer Verdünnsegregation anwendbar ist. Die Nutzung der Endgeschwindigkeit zum Trennen der Körner, was von einigen Forschern vorgeschlagen wird, ist auch einer Verdünnungssegregation zu zuordnen. Die japanische Patentanmeldung von Uteo der Hitachi Corporation, Sho 58-204814 zieht auch einen sehr ähnlichen Lösungsansatz mit dem Antreiben von feinen Partikeln aus einer Mischung von feinen und schweren Partikeln heraus in Betracht, wobei eine modifizierte konische Form für den Reaktor verwendet wird, um eine Geschwindigkeitsänderung im Höhenverlauf zu schaffen. Das Uteo-Arbeitsverfahren findet immer noch in dem äußerst verdünnten Segregationsbereich statt, in welchem sich kleine Partikel im wesentlichen unabhängig verhalten.
Die Verdünnsegregation ist kein bevorzugter Lösungsansatz, weil die umfangreiche Trennung der Partikel und des unteren Flächenbereichs von Partikeln relativ zum Abstand zwischen den Partikeln die Bildung von einem unerwünschten Nebenprodukt unterstützt: nämlich amorpher Siliziumstaub oder Pulver. Das Segregationsgas muß sehr rein sein und eine Temperatur gleich oder in der Nähe der Reaktortemperatur aufweisen. Dieses Segregationsgas ist üblicherweise verdünnend, was unvermeidbar das Siliziumträgergas in dem Reaktor verdünnt. Zudem wird eine umfangreiche Hilfsgerätschaft erforderlich sein, um diese große Menge von Verdünnungsgas zu bewegen, zu erwärmen und aufzubereiten, was den Wirkungsgrad des Reaktorsystems beeinträchtigt und die Kosten für den gesamten Prozeß erheblich erhöht.
Die Ausführung von Ingle ist aus einem praktischen Gesichtspunkt gesehen wegen der Anzahl von Innenanlagen in dem Reaktor insofern nachteilig, als alle Innenanlagen unvermeidbar mit Silizium beschichtet werden, wie unten beschrieben wird. Diese Innenanlagen scheinen dafür da zu sein, einen Innenbehälter für eine Verdünnsegation zu bilden. Bei dem Versuch, den Betrieb zu verbessern, erwähnt Ingle den Einsatz von Mikrowellen als bevorzugte Heizquelle, weil Mikrowellen direkt mit den Keimpartikeln gekoppelt werden können.
Iya nimmt in dem US-Patent mit der Nummer 4,424,199 eine Verbesserung an dem Segregationskonzept von Ingle vor, in dem der Keimerzeugungsbehälter am Boden als Boot (Stiefel, Raum) Abteil anstatt als Innenanlage gebildet wird. Da die Keimerzeugung unter dem Einlaß des Siliziumträgergases liegt, werden die Düse für das Nachuntenlenken des Strahls und die Wand des Abteils weniger wahrscheinlich mit Silizium beschichtet, als es bei den Innenanlagen von Ingle der Fall wäre. Das Patent schlägt eine schubweise Erzeugung von Keimen vor, um das Einsetzen des Keims in das Produkt anstatt in den Reaktor zu vermeiden, wobei angezeigt wird, daß eine kontinuierliche Segregation nicht effektiv war.
Die bekannten Systeme verwenden eine Verdünnphasensegregation mit den erwähnten Problemen, wahrscheinlich wegen der Vertrautheit dieser Systeme. Eine Dichtphasensegregation wird weit weniger häufig eingesetzt, ist allerdings bei der vorliegenden Anwendung für die Herstellung von hochreinem polykristallinem Silizium notwendig. Die Verwendung einer Dichtphasensegregation vermeidet eine Kontamination, die von einem zusätzlichen Behandeln des Produkts herrührt, und eine Kontamination, die von Segregationsgasen herrührt, die bei einer Verdünnungsphasensegregation herangezogen wird. Die Investitionskosten für zusätzliche Behälter sowie der kostenintensive Betriebsaufwand für das Behandeln und Reinigen der Segregationsgase wird ebenfalls vermieden.
Bekannte Fluidisierbetten wurden üblicherweise als Dichtphasen ausgelegt, und zwar als gut gemischte Betten mit zylindrischen Wänden; wenn das Gas den Reaktor nach oben entlangläuft, nimmt der Druck auf das Gas an jeder Stelle ab, weil die Höhe des Betts abnimmt, welche Betthöhe einen Druck auf das Gas ausübt. Das Volumen und die Geschwindigkeit des Gases nehmen zu, und ein Geschwindigkeitsprofil wird aufgestellt, so daß die Geschwindigkeit mit einer Zunahme des Abstands von dem Gaseinlaßbezugspunkt ansteigt. Bei einer derartigen Ausführung ist das Geschwindigkeitsprofil positiv, d. h. die Geschwindigkeit nimmt zu, wenn der Abstand von dem Einlaßbezugspunkt zunimmt. Dies stellt eine gute Durchmischung anstatt einer Segregation von Partikeln der Größe nach bereit.
Um eine Dichtphasensegregation gemäß der Erfindung zu realisieren, ist das Geschwindigkeitsprofil negativ zu wählen, d. h., wenn die Höhe zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit ab. Dies wird dadurch realisiert, daß die Wände des Reaktors derart konisch ausgebildet sind, daß der Durchmesser zunimmt, wenn an Höhe gewonnen wird. Insbesondere der Querschnittsbereich nimmt schneller als die Zunahme des Volumenflusses zu, so daß die Gasaufwärtsgeschwindigkeit an jeder Stelle in der Säule geringer ist als an der gerade darunterliegenden Stelle. Dies wird negatives Geschwindigkeitsprofil bezeichnet. Bei einer derartigen Ausführung segregieren sich die größeren Partikel langsam zum Boden des Bereichs, als wenn sie von anderen Partikeln in einem der Reibungsmitnahme ähnlichen Mechanismus angestoßen werden. Kleinere Partikel neigen dazu, zum oberen Ende des Reaktors durch einen ähnlichen Mechanismus zu gelangen. Auf diese Weise wird das Bett im Zeitablauf mit den größeren Partikeln an dem unteren Abschnitt des Betts segregiert, wo die Geschwindigkeit höher ist, und die kleinen Partikel befinden sich in oberen Abschnitten des Betts, wo die Geschwindigkeit geringer ist. Diese Segregationstechnik beruht auf einem Dichtphasenmechanismus und nicht auf einem Verdünnphasenmechanismus wie bei bekannten Systemen; Phasensegregationsmechanismus nach dem Stokesschen Gesetz und andere Verdünnungsphasensegregationsmechanismen werden nicht angewendet.
Eine Verwendung eines derartigen konischen Abschnitts direkt über dem Einlaßbereich ist bevorzugt, weil es die kleineren im Einlaßbereich erzeugten Keimpartikel dabei unterstützt, weiter in obere Bereiche des Reaktors zu gelangen, wo sie größer werden können, bevor sie zurück zum Bodenbereich gelangen, wo sie gemeinsam mit dem Produkt ausgegeben werden können. Gleichzeitig fallen diejenigen Partikel, die in dem Sammelabschnitt gewachsen sind, nach unten durch den konischen Bereich in einer Propfenströmung nach unten, so daß die größeren Partikel in den Einlaßbereich gelangen und eine Siliziumendabscheidung aufnehmen, bevor sie den Reaktor verlassen. Diese Ausführung wird eine engere Größenverteilung von relativ großen Partikeln hervorrufen, was beides wünschenswert ist.
Es ist möglich, den gesamten oberen Abschnitt des Reaktors konisch auszubilden, jedoch werden in diesem Fall alle kleinen feinen Partikel an das obere Ende des Reaktors gelangen. Wenn die Konzentration von Siliziumträgerspezies hin zum oberen Ende des Reaktors abnimmt, wird es für die kleinen Partikel am oberen Ende des Reaktors schwierig werden, sich wachsend zu vergrößern. Außerdem wird es notwendig sein, den Reaktordurchmesser am oberen Ende erheblich größer auszubilden als es sonst der Fall wäre, womit die Kosten für den Reaktor erhöht werden. Es ist also am besten, daß der obere Abschnitt des Reaktors im wesentlichen in eine zylindrische Form zurückkehrt, bei welcher das Geschwindigkeitsprofil positiv wird, nachdem ein konischer Abschnitt verwendet worden ist, um die Partikel vor dem Eintritt in den Bodenbereich zu segregieren, wo die Endabscheidung stattfindet. Ein positives Geschwindigkeitsprofil mischt den oberen Abschnitt des Betts, womit eine größere Durchschnittspartikelgröße am oberen Ende des Reaktors geschaffen wird, als es sonst der Fall wäre. Auf diese Weise zirkulieren alle Partikel innerhalb des gut gemischten Bereichs und besitzen die gleichen Wachstumschancen. Außerdem ist der Aufbau einer im wesentlichen zylindrischen Gestalt mit relativ kleinem Durchmesser erheblich kostengünstiger als eine vollständig konische Form mit einem größeren Durchmesser.
Ein weiteres gewünschtes Resultat des konischen Bereichs besteht darin, daß die Blasen, die sich an dem Ende des Strahls in dem Einlaßbereich bilden, in obere Abschnitte des Reaktors weiter gelangen können, ohne übermäßig die Wand des Reaktors zu berühren. Dies reduziert die an der Wand des Reaktors abgeschiedene Siliziummenge, weil die Konzentration der Siliziumträgerspezies bei der Blasen- oder Verdünnungsphase erwartungsgemäß höher als bei der Emulsions- oder Dichtphase ist. Auf diese Weise kann die Wandabscheidung in einem gewissen Maße durch eine geeignete konische Ausführung geregelt werden, wobei die Siliziumträgergaskonzentration mit Zunahme der Höhe in dem Reaktor über dem Einlaßstrahlbezugspunkt abnimmt. Wandabscheidungen werden ferner unten erörtert.
Die Abscheidungsverfahren sind zweifältig. In dem unteren Einlaßbereich insbesondere in dem Strahl gibt es eine beträchtliche heterogene Reaktion, bei welcher das Siliziumträgergas an der Oberfläche der Partikel absorbiert wird, wo es sich dann abbaut und einen Teil des Siliziums abscheidet, wobei ein Ausgleich die Oberfläche mit dem Wasserstoffnebenprodukt beläßt. Eine homogene Reaktion mit Keimbildung des Festkörperreaktionsprodukts findet in der Gasphase statt, woraus sich kleine amorphe Siliziumpartikel (5 bis 700 nm) bilden. Diese amorphen Siliziumpartikel wandern durch das Reaktorbett hindurch oberhalb des Einlaßstrahls, wo sie durch körnige Filtermechanismen gefiltert werden. Die gefilterten Siliziumpartikel rekristallisieren an dem Siliziumkornfiltermedium und werden zu einem nicht unterscheidbaren Teil der polykristallinen Siliziumkörner. Dies bildet das zweite Abscheidungsverfahren.
Der Strahl bildet relativ große Keimpartikel (100 bis 1000 um) von denen die meisten durch den Strahl auch angetrieben und nach oben in den Kornsammler transportiert werden, womit die kleinen Keime von dem großen Produkt segregiert werden. Die Keime in dem Kornsammler oberhalb des Einlaßbereichs wachsen bei einer geringeren Rate als diejenigen, die näher an der höheren Konzentration von EinlaßSiliziumträgergas liegen. Wachsen die Partikel in dem oberen Bereich, wandern sie zurück in den unteren Bereich, womit eine Segregation von Partikeln der Größe nach stattfindet.
Ein Teil des amorphen Siliziumpulvers oder -staubs wird aus dem Strahl über die Körner rezirkuliert, wenn das Gas und die Körner zirkulieren. Dieses Pulver gelangt wieder am Boden zusammen mit den Körnern in den Strahl und wächst aufgrund heterogener Abscheidung. Das Vorliegen der großen Zahl kleiner. Staubpartikel wirkt dahingehend, daß eine homogene Keimbildung unterdrückt wird und die Größe der geformten Partikel zunimmt. Dies ist ein wesentliches Merkmal, weil größere Staubpartikel leichter in den oberen Bereichen des Betts ausfilterbar sind.
Erhebliche Einbußen bei dem Materialbilanz stellte die Bildung dieses amorphen Staubs oder Pulvers dar, was ein wesentliches Betriebsproblem ist. Dieses amorphe Silizium verbleibt in dem Reaktor, insbesondere dann, wenn ein kurzes Bett verwendet wird, wie es bei den meisten der bekannten Systeme der Fall ist, und gelangt in die Gasentfernungssysteme, wo es sich an den Wänden abscheiden und verschiedene Betriebsprobleme stromabwärts des Reaktors hervorrufen kann. Der Verlust dieses Siliziums reduziert die Umwandlungseffizienz des Reaktors und erhöht die Betriebskosten.
Die Erzeugung und der Transport von amorphen Silizium wurde als Problem erkannt. Ein typischer Weg, um mit diesen Problemen umzugehen, bestand darin, das Siliziumträgergas mit Wasserstoff oder inersten Gasen (Edelgasen) zu verdünnen, um den Umfang der amorphen Siliziumbildung zu reduzieren, wie in dem US-Patent mit der Nummer 4,684,513 von Iya beispielhaft beschrieben ist. Bei weiteren Verfahren wird mit einer geringeren Temperatur gearbeitet, so daß nicht das gesamte Silan reagiert, wobei dann die Silanabbaureaktion am Ausgang des Reaktors eingeschränkt wird, indem die Temperatur durch Einblasen von Wasserstoff schnell reduziert wird, wie in dem US-Patent von Allen mit der Nummer 4,868,013 beschrieben ist.
Der Nachteil des ersten Lösungsansatzes besteht darin, daß ein zusätzliches Gas dem Reaktor zugeführt werden muß und daß dieses Gas höchstwahrscheinlich Verunreinigungen enthält, so daß es zuerst gereinigt werden muß. Der Reaktor muß für eine gegebene Siliziumproduktion vergrößert werden, und der Energieverbrauch wird aufgrund der Notwendigkeit, das Verdünnungsgas auf eine Reaktionstemperatur zu erwärmen, ansteigen.
Der Nachteil der zweiten Abschreckungsmaßnahme besteht darin, daß ein zusätzliches Gas für das Abschrecken vorgesehen sein muß und daß das unreagierte Silan entweder entsorgt oder recycelt werden muß, was wiederum die Kosten des Gesamtprozesses erhöht. Ein weiterer Nachteil besteht in der Einführung von Verunreinigung in den Reaktor aufgrund des Abschreckgases oder in der Notwendigkeit von kostenintensiven zusätzlichen Reinigungsverfahrensschritte für das Verdünnungsgas, weil solche Verdünnungsgase bekanntermaßen Verunreinigungen, wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff und Wasser enthalten. Während es vorkommen kann, daß eingeblasene Gase über dem oberen Ende des Siliziumbettes das Silizium nicht kontaminieren können, kann dies aufgrund des Effekts der Transportfreigabehöhe (TDH) vernachlässigt werden. Die TDH kann sich über mehrere Fuß erstrecken und weist eine Höhe oberhalb des Bettes auf, bis zu welcher Partikel geschleudert werden können und dennoch zurück zum Bett gelangen können. Partikel, die das Abschreckgas passieren und anschließend zurück zum Reaktor kehren, werden mit Verunreinigungsschichten belegt, die in erster Linie erwartungsgemäß aus Siliziumoxid bestehen. Aufgrund des thermodynamischen Gleichgewichts ist bekannt, daß reines Silizium ein äußerst effektiver Sauerstoffaufzehrer ist und es aus Wasser, Sauerstoff, Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid entfernen kann. Die Bildung von mehreren dünnen Oxidschichten gekoppelt mit einer weiteren Siliziumabscheidung können Gase, wie Sauerstoff, innerhalb des wachsenden Korns einfangen. Die Silizium-/Siliziumoxidgrenzen dienen als Diffusionsbarrieren gegen die Diffusion des Wasserstoffs nach außen. Dies kann insbesondere ein Problem bei den kleineren Partikeln darstellen, weil, wenn einmal der Wasserstoff in der Mitte des Korns eingefangen wurde, muß es einige Diffusionsbarrieren überwinden, um den Partikel zu verlassen.
Ein weiteres staubbezogenes Problem, das bei der Produktion von Siliziumkörnern zu berücksichtigen ist, bestand in der großen Menge von Staub, der die Körner begleitet. Diese Staubpartikel sind sehr klein mit einem großen Oberflächenbereich und sind daher sehr kontaminationsfreudig. Gautreaux empfiehlt in seinem US-Patent mit der Nummer 4,883,687 zwei Vorgehensweisen: schnelles und langsames Abscheiden. Bei der schnellen Vorgehensweise wird eine hohe Silankonzentration (ungefähr 10 mol% in Wasserstoff) dem Reaktor zugeführt, womit eine große Staubmenge erzeugt wird, welche an der Oberfläche der Siliziumkörner haftet, die das Fluidisierbett bilden. Daran schließt eine langsame Vorgehensweise, bei der eine geringe Silankonzentration (1 bis 5 mol% in Wasserstoff) dem Reaktor zugeführt wird, wodurch die angehaftete Staubschicht mit einer Schicht aus polykristallinen Silizium wirksam abgedichtet wird, wodurch das Entweichen des Schmutzes aus dem Reaktor vermieden wird. Zur langsameren Abscheidungsart wechseln zu müssen, verringert den Durchsatz des Siliziumprodukts, erhöht die Betriebskosten und erhöht die von Verdünnungsmitteln herrührenden Kontamination.
Das Problem der Wasserstoffkontamination von Siliziumkörnern wurde von Boone und Allen bei der Ethyl Corportion in ihrem Europäischen Patent 0 377 900 A2 und dem US-Patent mit der Nummer 5,242,671 jeweils angegangen, wobei sie einen separaten Dehydrierungsreaktor ausdrücklich vorsehen, um Wasserstoff aus den Körnern zu beseitigen. Ein weiterer Lösungsansatz wird von Kajimoto et al. bei Osaka Titanium in dem US-Patent Nr. 5,037,503 unternommen, in dem die Dehydrisiereinrichtung an einem Kristallzüchter für den selben Zweck angelegt wird. Sollte dies nicht unternommen werden, würde ein gewisser Teil der Körner auf ein Erwärmen hin explodieren, wodurch Teilstücke des Korns, die eine gewisse Menge Flüssigkeit tragen, um den Tiegel herum geschleudert werden. Dieser Popcorning-Effekt ist sehr unerwünscht, und folglich kann ein polykristallines Silizium, das sich so verhält, nicht verkauft werden, weswegen es eines zusätzlichen Dehydrisierungsreaktors bedarf. Das Vorsehen eines derartigen zusätzlichen externen Reaktors ist selbstverständlich kostenintensiv, weil der zusätzliche Reaktor angeschafft und betrieben werden muß, wobei die Körner abgekühlt werden müssen und das Fluidisiergas erwärmt werden muß. Die Temperatur der Dehydrisierung liegt bei üblicherweise 850ºC bis 1100ºC. Es besteht selbstverständlich die Gefahr, daß die Körner während des Dehydrisierungsverfahrens insbesondere an der Oberfläche verunreinigt werden.
Das Auffinden zweier Phänomene, nämlich die Siliziumkristallisation und die körnige Filtration, ermöglicht es, die meisten Probleme bezüglich der bekannten Systeme in diesem Bereich in Vorteile umzuwandeln. Als erstes wird in einem Papier von A. M. Beers et al. "CVD Silicon Structures Formed by Amorphous and Crystalline Growth," Journal of Crystal Growth, 64, (1983) 563-571, wird gezeigt, daß bei hohen Wachstumsraten die Abscheidungstemperatur hoch sein muß, um eine Kristallisation zu ermöglichen, um mit einer Abscheidung Schritt zu halten. Für eine schnelle Kristallisation und schnelle Wachstumsraten in einer Größenordnung von 2 bis 3 um/min. was am Boden dieses Reaktortyps wünschenswert ist, muß die Korntemperatur 800ºC übersteigen, um ein kristallines Wachstum ohne Wasserstoff zu erreichen. Für Temperaturen unterhalb von 720ºC liegt ein amorphes Wachstum mit darin gebundenen Wasserstoff vor, und zwischen diesen Temperaturen wird ein amorphes Wachstum ohne Wasserstoff vorliegen. Der Betrieb dieses Abscheidungsreaktors bei einer ausreichend hohen Temperatur macht das Bedürfnis für einen zweiten Dehydrisierungsreaktor oder -einrichtung hinfällig. Als zweites können die amorphen Partikel, die in der Gasphase gebildet werden, aus einem langen Bett ausgefiltert werden, indem eine körnige Fluidisierfiltration bei einer hohen Temperatur verwendet wird. Das eingefangene amorphe Silizium rekristallisiert dann bei Temperaturen oberhalb von 700ºC bei geringen Abscheidungsraten und langen Aufenthaltszeiträumen, womit ein nicht unterscheidbarer Teil des polykristallinen Siliziumkorns gebildet wird.
Eine weitere Funktion einer hohen Temperatur besteht darin, sicherzustellen, daß die Partikel ausreichend klebrig sind, so daß kleine amorphe Siliziumstaubpartikel einmal an den größeren Bettpartikeln haftend nicht mehr entfernt werden können und zu einer Verschmutzung beim Entfernen des Betts beitragen. Dies wird die Notwendigkeit für mehrere Prozeßphasen und eine zusätzliche Ausrüstung vermeiden.
Indem die Temperatur der Körner in dem Einlaßbereich über 800ºC gehalten wird und indem sie auf diese Temperatur mittels des neuen, unten beschriebenen Wärmeübertragsverfahren gehalten werden, wird das Silizium, das sich auf die Körner abscheidet, eine polykristalline Struktur mit einem geringen Wasserstoffgehalt aufweisen. In der Vergangenheit wurde irrtümlicherweise angenommen, daß beim Abbau von Siliziumträgergas sich das kristalline Silizium auf die Körner abscheidet. Die Körner bei den bekannten Systemen waren zu kalt, weil sogar dann, wenn der Großteil des Bettes eine Temperatur von ungefähr 700ºC aufwies, die Kühlung der Verteilerplatte oder -injektors zum Vermeiden des Abbaus des Siliziumgases die Temperatur der Körner an der Stelle mit der höchsten Siliziumträgergaskonzentration auf eine Temperatur zwischen 400ºC und 600ºC gesenkt hat. Diese Temperatur ist so gering, daß Wasserstoff sich mit dem Silizium gebunden hat und das Silizium in amorpher Form abgeschieden wurde: und zwar braunfarbig und schmutzig anstatt blank, glänzend, silberfarbig. Solche austretende Körner benötigten ein Dehydrieren und eine Säuberung.
Mit bei den kurzen Betten bei der geringen Temperatur, die in bekannten Systemen verwendet wird, wie der Poong et al. -Reaktor, 48 mm ID · 1000 mm bei 700ºC, der in dem US-Patent mit der Nummer 4,900,411 beschrieben ist, tritt das Pulver aus dem Bett aus, bevor es gefiltert wird.
Bei der verbesserten Ausführung der Erfindung wirken der konische Bereich und der Sammelbereich als körniger Filter, wobei klebrige Körner den amorphen Siliziumschmutz einfangen, wenn er sich in dem oberen Teil des Reaktors gemeinsam mit dem Gas bewegt. Das Haftvermögen wird ebenfalls unten erörtert. Da das amorphe Siliziumpulver eingefangen und rekristallisiert wird, kann der Reaktor bei hohen Siliziumträgergaskonzentrationen und bei einer hohen Temperatur betrieben werden, ohne der Gefahr der Einbuße hinsichtlich der Reaktoreffizienz zu laufen.
Ein weiteres Verfahren ist vorgesehen, um mit Routinewegemissionen von unreagiertem Siliziumträgergas (was erwartungsgemäß in sehr geringen Mengen vorliegt) und mit dem Verlust von feinen amorphen Siliziumpartikeln aus dem Reaktor umgehen zu können, was, wie oben angemerkt ist, in erster Linie von der Effizienz der körnigen Filtration in dem konischen Abschnitt und dem Kornsammelabschnitt abhängt. Die Konzentration von reaktivem Siliziumträgergas und amorphen Siliziumpulver kann durch Einblasen eines halogenhaltigen Gases in die Ausströmleitung gesteuert werden, so daß sich daraus ein derartiges Silizium-Wasserstoff- Halogen-Verhältnis ergibt, daß Silizium bei der Temperatur und dem in der Leitung vorliegenden Druck geätzt wird. Ein solcher Ätzvorgang wird das meiste oder das ganze amorphe Siliziumpulver entfernen und halogenisierte Gase bilden, wie Siliziumtetrachlorid, Siliziumtrichlorsilan, Dichlorsilan, etc. oder andere Gase, was von dem eingeblasenen halogenhaltigen Gas abhängt. Das eingeblasene Gas könnte Chlor, Wasserstoffchlor, Siliziumtetrachlor oder ihre äquivalenten Halogene sein. Derartige Gase können routinegemäß durch das System hindurch zu anderen Bereichen der Anlage umgelenkt und recycelt werden. Alternativ können sie belüftet und durch geeignete Techniken gereinigt werden. Die Wahl des halogenhaltigen Gases wird normalerweise durch Überlegungen hinsichtlich der Gesamtanlageverfahrensintegration und des Massengleichgewichts bestimmt.
Blocher et al. in Texas Instruments beschreiben in dem US-Patent mit der Nummer 4,117,094 die Bildung von explosiven polymerischen Siliziumchloriden der allgemeinen Formel (SiCl&sub2;)n und eine Einrichtung zum Vermeiden dieser Siliziumchloride durch Verringerung der Temperatur. Zusätzliche halogenhaltige Gase zum Ätzen eines amorphen Siliziums kann die Probleme dieser Polymere durch Auswahl von Silizium-Wasserstoff-Halogenverhältnisse und Temperaturen in dem stromabwärts gelegenen System vermeiden. Derartige Berechnungen können von einem auf dem Gebiet der Berechnung von chemischen Gleichgewichten Bewanderten durchgeführt werden, indem die Konzentration eines SiCl&sub2;-Monomers in der Gasphase minimiert wird. Im allgemeinen wird die Temperatur zwischen 450ºC und 750ºC geregelt, um das Gleichgewicht zu verbessern, während eine schnelle Umwandlung beibehalten wird.
Ein weiteres Verfahren zum Regeln der Reaktionsgeschwindigkeit oder -rate in dem unteren Abschnitt des Betts ist vorgesehen, zum Fangen von sauerstoffhaltigen Materialien, um eine Bildung eines Oxidfilms auf den Partikeln zu vermeiden, und zum Ändern der Einlaßgaseigenschaften, wie die Viskosität und die Dichte, was wiederum die Partikel-Reynoldszahl Rep beeinflußt, was unten erörtert werden wird. Dieses Verfahren besteht aus Einblasen eines halogenisiertes Silizium enthaltenden Gases, wie Siliziumtetrachlor, oder eines halogenenthaltenden Komponenten, die mit dem Siliziumträgergas reagieren sollen, um halogenisierte Siliziumträgerkomponenten in kleinen Verhältnissen zu bilden: 0 bis 5 mol% des Einlaßgasstroms. Die Reaktionsrate wird durch Modifikation der Zwischenspezies bei der Abscheidung geregelt, beispielsweise durch das Ersetzen von SiCl&sub2; für SiH&sub2;. Die Anwesenheit von SiCl&sub2; ist am Boden des Reaktors akzeptabel, weil es schnell als Zwischenreaktion verbraucht wird und sie das Bett nicht verläßt. Die Bildung von Wasserstoffdiffusionsbarrieren wird durch Fangen von irgendwelchen Sauerstoff enthaltenden Materialien aufgrund der Bildung von Siliziumoxidpartikeln in der Gasphase verhindert. Dies vermeidet die Bildung eines kontinuierlichen Siliziumoxidfilms auf den Partikeln, weil der Siliziumoxidstaub als ein Partikel und nicht als Film eingearbeitet wird. Das Einblasen eines solchen Gases mit einem hohen Molekulargewicht, wie Siliziumtetrachlor, wird die Viskosität und die Dichte in dem Reaktor erhöhen, was sich hinsichtlich der Fluidisierung vorteilhaft auswirkt.
Ein Hauptvorteil der Siliziumkörner verglichen mit den großen Siliziumstücken besteht in der Möglichkeit, Körner dem Kristallzüchter kontinuierlich zuzuführen. Das kontinuierliche Zuführen von Körnern in einer richtigen Rate oder Menge ist viel einfacher, falls die Körner sphärisch sind und annähernd die gleiche Größe aufweisen. Die sphärische Gestalt und die Partikelgrößenverteilung wurde in der Vergangenheit nicht unmittelbar in Betracht gezogen. Körner haben dazu geneigt, wenig sphärisch zu sein und eine breite Partikelgrößenverteilung aufzuweisen. Die kleineren Körner sind sogar weniger sphärisch als die größeren Körner. Um sphärische Körner aus Keimen, die Körnerfragmente sind, zu erzeugen, ist ein Selbstkorrekturmechanismus notwendig, um das Silizium auf die weniger gerundeten oder abgeflachten Abschnitte der Bettpartikel abzuscheiden. Wenn sich das Silizium auf der abgeflachten Seite ablagert, wird diese Seite stärker gerundet und anschließend dreht sie sich, um einen weiteren flachen Abschnitt zu beschichten.
Ein solcher Selbstkorrekturmechanismus kann mathematisch unter der Anwendung der Aerodynamiktheorie und der Kenntnisse über die bevorzugten Ablagerungsbereiche beschrieben werden. Becker, Can. J. Chem. Eng., 37, 85-91 (1959), in Perry's 6th, Seiten 5-64 bis 5-65 insbesondere in Tabelle 5-21 zitiert, berichtet über die Freifall-Ausrichtung von Partikeln, welche durch die Partikel-Reynoldszahl kontrolliert ist. Die Abscheidung (Massentransfer) wird von Zenz und Othmer auf Seiten 467 und 468 insbesondere in Fig. 14.2 beschrieben.
Mittels der konischen Wand und dessen daraus sich ergebenden Wirkung bezüglich der Gasgeschwindigkeit und die sich daraus ergebende Segregation von Partikeln der Größe nach kann die Partikel-Reynoldszahl Rep auch in einem bestimmten Maße innerhalb des Reaktors geregelt werden. Es ist sehr wichtig, den Reaktor verlassende, sphärische Partikel zu haben; insofern sind höhere Partikel-Reynoldszahlen in der Nähe des Bodens des Reaktors wünschenswert. Eine hohe Gasgeschwindigkeit, große Partikel und ein dichtes Gas erhöhen die Partikel-Reynoldszahl; ein sehr viskoses Gas verringert sie.
Die Wahl des Siliziumträgergases und die Menge sowie die Art des Verdünnmittels beeinflußt die minimale Partikelgröße, bei der der Selbstkorrektureffekt funktioniert. Die schlechteste Kombination für sphärische Körner ist ein mit Wasserstoff verdünntes Silan, weil insbesondere mehr Wasserstoff produziert wird als sich Silan abbaut. In diesem Fall wird am oberen Ende des Reaktors wahrscheinlich annähernd 100% Wasserstoff vorliegen, und ein gut gemischtes Bett würde man erwarten, um eben nicht-sphärische, kleine Körner zu produzieren, die mit größeren sphärischeren Körnern vermischt sind. Um ein sphärischeres Produkt zu erhalten, ist es wichtig, die kleinen Partikeln aus dem unteren Bereich zu segregieren sowie Betriebsparameter auszuwählen, so daß die Partikel-Reynoldszahl zwischen 5,5 und 200 in dem Bereich hoher Abscheidung liegt. Die Ausführung eines solchen Systems mit der oben angegebenen Information ist für einen Fachmann ohne weiteres realisierbar.
Die Temperatur, bei der ein Material klebrig wird, wird Tammann-Temperatur genannt und liegt bei annähernd 52% der absoluten Schmelztemperatur. Für Silizium mit einem Schmelzpunkt von 1410ºC liegt die Tammann-Temperatur annähernd bei 602ºC, d. h. genau in einem Bereich, in dem fast alle Siliziumabscheidungspatente die Minimaltemperatur angegeben haben. Bei diesen Abscheidungstemperaturen ist die Siliziumabscheidung inhärent klebrig.
Da Silizium Metalloxide reduzieren kann, reagiert jede Siliziumabscheidung, die auf einem Metall gebildet wird, mit dem darunterliegenden Metalloxid, um ein Siliziumoxid (Silica) und Metall zu bilden. Das Metall kann durch das Silica in das Silizium diffundieren, um Silicide zu bilden, welche wiederum durch das Silizium diffundieren. Das Silizium bildet somit eine starke chemische Bindung mit der darunterliegenden Fläche und läßt die Wanderung von Metallen dadurch zu.
Das Partikel-Klebeverhalten hat einen Einfluß auf die Verstopfung am Verteiler und auf das Ansammeln der Partikel innerhalb des Betts, sofern die Partikeln aufhören sollten, sich mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zu bewegen, so daß sie voneinander abprallen können. Auch Bettinnenanlagen werden inhärent von einem klebrigen Material bedeckt, das an dem Reaktor haftet. Eine Festkörpersiliziumwandabscheidung, die fest an der Wand haftet, bildet sich in dem Siliziumfluidbettenreaktoren und neigen dazu, die Wände beim Abkühlen zu beschädigen, oder, falls Metallwände verwendet werden, die fester als das Silizium sind, platzt das Silizium ab und nimmt Metallverunreinigungen mit sich.
Dies ist insbesondere bei der Abscheidung von hochreinem Silizium wegen des sehr geringen Metallanteils ein Problem, welcher in der Größenordnung von 10 Teilen pro Trillion (PPT) ist. Die Bildung von potentiell verunreinigenden Wandablagerungen zusammen mit der hohen Temperatur unter der Verwendung von halogenisierten Gasmaterialien spricht gegen die Verwendung einer standardisierten, chemischen, industriellen Metallprozeßtechnologie für den Aufbau des Reaktors und der zugeordneten Ventile und Leitungen. Dies wurde früh von Ling in dem US-Patent mit der Nummer 3,012,861 erkannt und von Ingle et al. in dem US- Patent Nr. 4,416,913 unter anderem wiederholt, welche die Verwendung von hochreinem Quarz als ein Reaktormaterial empfohlen haben. Der Vorteil von Quarz liegt in der außergewöhnlichen Reinheit, und der Quarz ist selbstverständlich Siliziumoxid, weswegen jede Quarz-Kontamination Silizium und Sauerstoff anstatt Metalle zuführt. Der übliche Anteil von Sauerstoff liegt bei wenigen Teilen pro Millionenbereich. Sauerstoff liegt als natürlicher Sauerstoff an der Oberfläche des ganzen Siliziums vor, insbesondere an denjenigen Oberflächen, die der Luft ausgesetzt waren. Weitere Materialien der Konstruktion der pyrolytischen Kohlenstoffindustrie waren Graphitvariationen, wie Siliziumkarbid beschichtetes Graphit oder gesintertes Siliziumkarbid, die beide an ähnlichen Kontaminationswanderungsproblemen leiden.
Ein Hauptproblem von bekannten Systemen bestand darin, daß die Verteiler verstopften, die Kapazität des Betts reduziert wurde und ein Abschalten für Reparatur- und Austauscharbeiten erforderlich war und daß der Reaktor häufig ausfiel. Anstrengungen zur Lösung dieses Problems bestanden darin, den Verteiler, wie von Iya in dem US-Patent mit Nr. 4,684,513 und von Poong et al. in dem US-Patent Nr. 4,900,411 beschrieben ist, abzukühlen. Ein ähnliches Problem von Siliziumabscheidungen an der Wand des Reaktors wurde durch Temperaturzyklen, was von Setty et al. im US-Patent Nr. 3,963,838 beschrieben ist, und durch Abkühlen der Wand angegangen, was von Poong et al. im US-Patent Nr. 4,900,411 beschrieben ist. Diese Lösungsansätze führen zu einer erheblichen thermischen Ineffizienz des Reaktorsystems und zu einem erheblich größeren Mikrowellengenerator (vier mal so groß) für den gleichen Polysiliziumdurchsatz.
Bei Fluidisierbetten im allgemeinen bilden sich Blasen an der Spitze des eingetauchten Strahls oder der eingetauchten Strahlen, und diese Blasen bilden dann ein Blasenfluidisierbett in dem Bereich über dem eingetauchten Strahl (oder eingetauchten Strahlen), falls der Bereich derart ausgelegt ist, daß die Bildung von Blasen sichergestellt ist. Diese Techniken sind dem Fachmann bekannt und beinhalten die Berechnung der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit umf. Falls diese Geschwindigkeit überschritten wird, wird anschließend der Bereich des Bettes fluidisiert, wobei die Partikel dazu neigen, sich als Gruppe zu bewegen, und sollte die Geschwindigkeit ausreichend über der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit liegen, bleiben die Partikel nicht aneinander haften.
Keine Inneneinrichtungen irgendeiner Art sind innerhalb des Reaktors der Erfindung notwendig; daher können auch keine Ablagerungen auf derartigen Inneneinrichtungen entstehen. Beispielsweise gibt es keine Partikelträgerverteilungsplatte, auf welcher sich Silizium abscheiden kann oder manche Ansammlungen zu wachsen beginnen können, so daß es kein Bedürfnis gibt, eine derartige Platte unter Inkaufnahme einer thermischen Ineffizienz abzukühlen. Das Siliziumträgergas gelangt in das Bett an einer einzigen Düse am Boden des Reaktors. Auf diese Weise ist es möglich, eine Vielzahl von Heizsystemen zu benutzen, um die erforderliche Wärme für einen derartigen Reaktor bereitzustellen.
Wie oben beim Erörtern des US-Patent Nr. 4,684,513 von Iya und dem US-Patent Nr. 4,900,411 von Poong et al. angemerkt wurde, ist es wünschenswert, den Keim und die Bettpartikel auf eine höhere Temperatur als die der Reaktorwand zu erwärmen, um Wandabscheidungen zu reduzieren. Sowohl Iya als auch Poong et al. realisieren dies, indem das Bett erwärmt und anschließend die Wand aktiv abgekühlt wird.
Das Bett auf eine höhere Temperatur als die Wand aufzuheizen, wird üblicherweise dadurch realisiert, daß eine große Wärmemenge an oder in der Nähe der Grenzfläche des Kühleinlaßstrahls mit den warmen Siliziumkörnern bereitgestellt wird. Dies konzentriert die Wärme am Boden des Reaktors, wo das ankommende Gas einen großen Wärmebedarf hat, um auf die Betriebstemperatur des Reaktors erwärmt zu werden. Die Körner erwärmen schnell das ankommende Gas, werden aber selbst abgekühlt und müssen wieder erwärmt werden. Es ist wünschenswert, die Körner so nah wie möglich an dem Strahl wieder zu erwärmen, um die Korntemperatur in dem Strahlbereich hoch zu halten, wo die Siliziumträgergaskonzentration am höchsten ist und der Abbau und die Abscheidung am meisten stattfinden. Es ist wichtig, ein Überheizen des ankommenden Siliziumträgergases vor dessen Kontakt mit den heißen Körnern zu vermeiden, um Wandabscheidungen am Gaseinlaß zu minimieren.
Stand der Technik-Patente haben Mikrowellen mit aktiver Kühlung der Wände verwendet, um ein Durchdringen einiger Mikrowellen durch die Siliziumwandabscheidung zu erreichen; allerdings resultiert das Abkühlen in einem ineffizienten Energieverbrauch. Versuche zum Verringern der Kühlung ergaben eine Runaway-Situation bei einer hohen Wandtemperatur und einer größeren Absorption der Mikrowellenenergie durch die Wandabscheidung, wenn die Temperatur ansteigt, was zu einer weiteren Erhöhung der Wandtemperatur und zu einer zunehmenden Wandstärke aufgrund einer erhöhten Reaktionsrate in der Nähe der Wand führt.
Dieses Phänomen höherer Absorption bei höheren Temperaturen wird durch ein abgeschwächtes Durchdringen der Mikrowellenenergie durch die Wandabscheidung verursacht, weil die elektrische Leitfähigkeit des Siliziums mit der Erhöhung der Temperatur zunimmt.
Die Neuerung der Erfindung diesbezüglich besteht darin, die erforderliche Energie den Gaseinlaß entlang nach oben zum Reaktor einzublasen, so daß die Körner erwärmt werden, ohne das Siliziumträgergas zu überhitzen. Dies kann dadurch realisiert werden, daß ein ausgerichteter Strahl elektromagnetischer Energie mit einer derartigen Frequenzverteilung ausgerichtet wird, daß das Siliziumträgergas für das meiste der Energie durchlässig ist, wobei allerdings die Siliziumkörner die Energie effektiv absorbieren. Das Spektrum der Siliziumträgergase und des polykristallinen Siliziums ist bekannt und kann gemessen werden, so daß die Frequenzen, bei dem die Gase absorbieren, vermieden werden können, während die Energie von den Siliziumkörnern absorbiert wird. Beispielsweise kann ein Kohlenstoffdioxid-(CO&sub2;)-Laser, der bei 10,6 microns emittiert, in einem Trichlorsilan-Reaktor verwendet werden, allerdings nicht in einem Silan-Reaktor, weil Silan elektromagnetische Energie bei dieser Frequenz absorbiert. Ein Neodymyttriumaluminiumgarnet-(Nd: YAG)-Laser, der bei 1,064 microns emittiert, kann bei einem Trichlorsilan- oder Silan-Reaktor herangezogen werden. Während Laser leicht gelenkt werden können und eine enge Frequenzverteilung aufweisen, sind sie relativ ineffizient und in der Anschaffung und im Betrieb kostenintensiv. Ein anderer Lösungsweg besteht darin, eine oder mehrere Hochintensitäts-Quarzhalogen- oder Xenonlampen mit geeigneten Reflektoren, Filtern und Linsen zu verwenden. Diese haben üblicherweise eine hohe Effizienz (25 bis 40%) und sind günstiger, haben allerdings kurze Lebensdauern in der Größenordnung von 400 bis 1000 Stunden. Folglich sollten sie derart angeordnet sein, daß sie routinegemäß ausgetauscht werden können, ohne den Betrieb unterbrechen zu müssen.
Für Silan ist es möglich, die Wärme chemisch bereitzustellen, indem das Silan oder die Siliziumkörner mit Chlor oder Wasserstoffchlor reagieren. Ungefähr 2,5% des Silanflusses reagiert mit Chlor, um ausreichend Wärme bereitzustellen, um das Silan von 400ºC auf 850ºC zu erwärmen. Das Zuführen von halogenisierten Siliziumkomponenten wird an anderer Stelle mit Bezug zur Steuerung der Reaktionsrate und der Gasviskosität erörtert. Es ist ebenfalls nützlich, die Einblasrohrspitze für das Zuführen elektromagnetischer Energie sauber zu halten sowie das Anwachsen einer Wandabscheidung in der Nähe des Siliziumträgergaseinlasses zu vermeiden. Diesbezüglich sorgt ein zusätzliches elementares Halogen für einen zusätzlichen Vorteil bei der Beschaffung der Reaktionswärme.
Ferner haben das Gas und die Körner entlang dem Reaktor nach oben die gleiche Temperatur, so daß es nur derjenigen Wärme bedarf, die zum Ausgleichen des Wärmeverlustes durch die Wand des Reaktors hindurch erforderlich ist. Dieses Wärmeerfordernis kann über irgendwelche herkömmliche Wärmequellen bereitgestellt werden, die üblicherweise die gleichen sind, die für das anfängliche Aufheizen vorgesehen sind.
Die Verteilung dieser Wärme kann somit durch einen Fachmann realisiert werden, wenn sich der unterschiedlichen Zirkulationsmuster innerhalb des Reaktors bewußt gemacht wird. Bei einem herkömmlichen Fluidisierbetts ist das Mischen die Bereichserwärmung schwierig. Bei der Erfindung, bei der es mehr als einen Bereich gibt, ist es möglich, Wärme bereitzustellen, wo sie notwendig ist, um dem Temperaturgradienten zu etablieren, der für eine optimale Reaktorleistung notwendig ist. Folglich kann ein Temperaturgradient etabliert sein, ohne den hohen Energieverlust der bekannten Systeme. Die von der Wand herrührenden Wärmeverluste können erheblich reduziert werden, indem ein "Luftspalt" über eine Doppelwandkonstruktion genutzt wird und indem eine thermische Isolation, wie Alumina-/Silica-Fasern herangezogen wird, welche für Mikrowellen durchlässig sind, allerdings einen hohen Widerstand hinsichtlich des Wärmeübertrags aufweisen, d. h. eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Die Kombination aus Doppelwand-Aufbau plus der Isolation ist wünschenswert, weil die Isolation eine Quelle von Verunreinigungen, wie Sodium, ist, das durch das Quarz hindurch gelangen kann. Die Verwendung einer Doppelwandstruktur läßt auch einen geringen Fluß von Gas zu, um das Sodium und andere Verunreinigungen aus dem Spalt heraus mitzunehmen. Der Temperaturabfall quer über den Luftspalt reduziert Temperaturspitzen der Isolation, was dann den Dampfdruck und die Dampfphasenkonzentration von Verunreinigungen in der Isolation selbst reduziert.
Es ist möglich, eine gewisse aktive Abkühlung der Reaktorwand zuzulassen und auf diese Weise ein größeres Temperaturprofil quer über die Wand bereitzustellen, was von Poong et al. vorgeschlagen wird. Da die Siliziumabscheidung an der Wand bekanntermaßen in Beziehung mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Bett und der Wand steht, kann ein derartiges Abkühlen beim Regulieren der Dicke der Siliziumabscheidung in Verbindung mit den Konzentrationsgradienten und des oben erwähnten Fluidisierzustands wünschenswert sein. Am Boden des Reaktors, wo die Konzentration des Siliziumträgerspezies hoch ist, reduziert eine verhältnismäßig kühlere Wand die Dicke der Siliziumwandabscheidung in einem Bereich, wo sie sonst sehr wahrscheinlich dick wäre. Am oberen Ende des Reaktors, wo die Konzentration des Siliziumträgerspezies gering ist, ist es eher wünschenswert, eine Wandtemperatur so hoch wie oder höher als die des Betts vorliegen zu haben, so daß das Silizium eine Schutzabscheidung an der Wand bildet.
Es ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Wärmeübertragung möglich, den oben erwähnten Reinigungs- oder Abführgasfluß zwischen der Reaktorwand und einer Außenwand oder einer Abdeckung vorzusehen, um das gewünschte Temperaturprofil an der Wand zu erzeugen. Iya und Poong et al. haben ein aktives Kühlen der Wand vorgeschlagen, um die Existenz irgendeiner Siliziumabscheidung überhaupt zu vermeiden; allerdings ergibt sich hieraus ein extrem hoher Energieeinlauf relativ zu dem Lösungsansatz, der durch eine Isolierung der Wand und einer Vermeidung einer aktiven Kühlung erreicht wird. Ein Abtragen der Wand durch das Fluidisierbett würde auch eher dazu führen, daß das Wandmaterial anstatt des Siliziums abgetragen wird, was zu einer Kontamination des Produkts führt. Die Siliziumschicht an der Wand stellt eine hochreine Barriere zwischen den hochreinen Siliziumkörnern und der Reaktorwand dar, obgleich das hochreine Material der Siliziumschicht nicht dem hochreinen Silizium der Körner oder einer Wandabscheidung entspricht und Verunreinigungen enthält, die sich verschlechternd auf das Produkt auswirken können. Aus diesem Grund ist eine dünne Siliziumwand als Barriere an der Reaktorwand wünschenswert. Die Wandabscheidung kann geätzt werden, indem ein halogenhaltiges Gas herangezogen wird, um den Reaktor ohne dessen Ausfall abzukühlen.
Andere Verfahren zum Reduzieren von Wandablagerungen bestehen darin, die Siliziumträgerspezies von der Wand fernzuhalten und den Wärmeübergang von dem Bett auf die Wand zu reduzieren. Am Einlaßbereich, wo die Zirkulation durch den Strahl induziert wird, ist die Wand durch einen sich nach unten bewegenden Schirm von Körnern geschützt. Am konischen Bereich betreibt das Bett einen Blasenabschnitt, wo die Blasen kleiner als der Reaktordurchmesser sind. An dem oberen Kornsammelbereich werden stoßweise Strombedingungen zugelassen, um eine schützende Siliziumwandabscheidung in Bereichen von geringen Siliziumabscheidungsraten und relativ hoher Erosion zu bilden.
Bei einem typischen Abschaltscenario würde die Siliziumträgergaskonzentration und die Betthöhe im zunehmenden Maß reduziert werden und von einem erhöhten Fluidisiergasfluß kompensiert werden. Unmittelbar vor dem Abschalten des Siliziumträgergasflusses (welcher selbst ein effektiver Fänger von vielen sauerstoffenthaltenden Spezies ist), wird das halogenenthaltende Material eingeblasen, wie oben beschrieben ist, um den Reaktor vor dem Abkühlen zu ätzen, um einen Ausfall zu vermeiden. Diese Technik stellt sicher, daß ein sauerstofffangendes Gas immer innerhalb des Reaktors vorliegt. Das Vermeiden eines Oxidfilms veranlaßt ein schnelleres Ätzen der Siliziumwandabscheidung innerhalb des Reaktors und vermeidet die Bildung von feinen faserartigen Silikastreifen innerhalb des Reaktors, was vor dem erneuten Starten des Reaktors entfernt werden müßte.
Falls dieser Lösungsansatz aus irgendeinem Grund nicht machbar sein sollte, kann ein weiterer Lösungsansatz herangezogen werden, bei dem ein anderes Siliziumbett oder ein Bett eines anderen Materials in den Reaktor eingebracht wird, nachdem das Produktmaterial entfernt worden ist. Dieses Bett wird dann verwendet, um die an der Siliziumwandabscheidung ausgebildete Siliziumoxidschicht zu agitieren und abzureiben. Der letztgenannte Lösungsansatz ist nicht bevorzugt, allerdings ist er im Falle eines unplanmäßigen Abschaltens machbar, bei dem das halogenhaltige Material nicht rechtzeitig eingeblasen wurde.
Ein weiterer Nachteil von bekannten Systemen besteht darin, daß keine ausreichende Wärmemenge von dem Reaktor nicht wiedergewonnen werden kann, um die ankommenden Gase auf die Einlaßtemperatur aufzuerwärmen, die üblicherweise bei 350ºC bis 450ºC liegt. Eine derartige Wärmewiedergewinnung kann den Wärme- und Abkühlbedarf senken und damit die Betriebskosten.
Ein Verfahren zum Kühlen der großen Produktkörner, wenn sie entfernt werden, wird bereitgestellt, indem die Wärme in den Körnern dazu verwendet wird, das ankommende Siliziumträgergas vorzuwärmen, womit der Gesamtenergiebedarf des Verfahrens reduziert wird. Diese Technik kann implementiert werden, indem ein ringförmiger Wärmetauscher um den Einlaß des Reaktors angeordnet wird. Insbesondere ist ein mittiges, das Siliziumträgergas transportierendes Einlaßrohr innerhalb der Einlaßdüse des Reaktors plaziert. In dem Ringraum um das mittige Rohr wird kontinuierlich ein Strom von Körnern derart entfernt, daß ein Anhaften oder Ansammeln der Körner vermieden wird und Wärme auf das ankommende Siliziumträgergas übertragen wird.
Insbesondere ist die Konstruktion der Einlaßsiliziumträgergasdüse insofern sehr wichtig, als ein Ablagern von Silizium innerhalb der Düse vermieden, während ein Wärmeübertrag von dem ausgehenden Korn auf das Siliziumträgergas zugelassen werden soll. Eine derartige Düse kann mit einem Doppelwandaufbau ausgeführt sein, so daß ein Spalt, der vakuumbeaufschlagt oder mit einem inerten Gas hinterfüllt sein kann, den Wärmefluß von den außenliegenden Körnern durch die Wand zum Siliziumträgergas reduziert. Das sollte die Innenwandtemperatur unterhalb der Ablagerungstemperatur des Siliziumträgergases halten, womit eine Siliziumwandabscheidung innerhalb des Einlaßrohres vermieden wird. Diese Temperatur für das Siliziumträgergas, das thermisch abgebaut wird, liegt in einem Bereich von 400ºC bis 600ºC. Aus Sicht des Wärmeübertrags ist es im Hinblick auf die Wandtemperatur von Vorteil, so hoch wie möglich zu sein, ohne eine Ablagerung zuzulassen. Dies kann am besten dadurch erreicht werden, daß die Weite des "Luft"-Spalts variiert wird. Dort, wo der "Luft"- Spalt am oberen Ende des Austauschers größer ist, wird der Wärmeübertrag von den heisseren Körnern an der Außenseite derart verlangsamt, daß die Innenwandtemperatur konstant bleiben kann, womit der Wärmeübertrag auf das Siliziumträgergas maximiert wird und das Abkühlen der Körner maximiert wird, ohne ein Abscheiden an der Wand zu initiieren.
Nach einer gewissen Strecke ist es vorteilhaft, wenn die Körner auf annähernd 500ºC abgekühlt wurden, die Doppelwandmaßnahme zu unterbrechen und auf diese Weise eine höhere Wärmeübertragsrate zu ermöglichen, als es der Fall wäre, wenn eine Doppelwand weiter anschließen würde. Es ist möglich, einen Reaktor ohne einen Wärmetauscher auszuführen oder ihn so auszulegen, daß die Körner nicht durch die Verwendung eines größeren Spalts und der Weiterführung des Spalts für eine lange Strecke nicht abgekühlt werden. Ein derartiger Lösungsansatz kann wünschenswert sein, wenn ein zusätzlicher Kornverarbeitungsschritt unterhalb des Abscheidungsreaktors gewünscht wird, bei dem die Korntemperatur notwendigerweise auf einer relativ hohen Temperatur zu halten ist.
Eine alternative Ausführung, bei der die Gesamtenergieeffizienz des Systems beizubehalten ist, besteht darin, das ankommende Siliziumträgergas mit dem am oberen Ende des Reaktors austretenden Gas vorzuwärmen. Das Verwenden des austretenden Stromes erfordert einen großflächigen Wärmetauscher, so daß es insbesondere nicht praktisch ist, ihn als ein einteiliges Bauteil des Reaktors auszuführen. Deswegen muß die Temperatur des in den Reaktor gelangenden Siliziumträgergases höher sein, wobei Schwierigkeiten beim Dichten der Einlaßverbindung wegen der hohen Temperatur auftreten können. Diese Ausführung ist für Siliziumträgergase am besten, bei der der Wärmeinhalt der Produktkörner nicht dazu ausreicht, die Einlaßtemperatur auf die gewünschte Temperatur anzuheben.
Ein weiteres Verfahren kann unterhalb des Reaktors vorgesehen sein, um zusätzliche Verfahrensschritte bereitzustellen, die beispielsweise zum Modifizieren der Körnererscheinung und/oder deren Reinheit notwendig sein können. Ein Durchgang zwischen dem oberen Reaktor und der unteren Produktfertigstellkammer wird als Fallleitung verwendet, so daß die Körper mit einer konstanten Geschwindigkeit in die untere Kammer fallen. Unter der Verwendung eines Druckausgleichs ist es möglich, andere Gase in die untere Kammer einzubringen, um sie dann ohne beträchtliche Mengen anderer Gase, die in den Reaktor gelangen, abzuleiten. Solche Verfahrensschritte können für das endgültige Entfernen von Wasserstoff, für das Ätzen der Körner zum Reduzieren von Oberflächenverunreinigungen, die zur Oberfläche gewandert sind, für das Rekristallisieren der Innenstruktur der Körner oder für das Halten der Körner auf einer ziemlich hohen Temperatur einen ziemlich langen Zeitabschnitt lang für ein einfaches Glühen verwendet werden.
Um ein kontinuierliches Entfernen von Körnern aus dem Reaktor mit dem Verpacken in diskreten Behältern zu gewährleisten, sind ein Entgaser und ein Kornumleiter vorgesehen. Der Entgaser erfüllt zwei Funktionen: er entfernt das Reaktorgas aus dem Kornfluß vor dem Verpacken und regelt den Kornfluß aus dem Reaktor heraus. Die Körner, die von dem Wärmetauscher am Boden des Reaktors abgekühlt worden sind, gelangen in einem Dichtphasenfluß aus dem Wärmetauscher in den Entgaser. Die Körner bilden ein festgelegtes Bett in dem Entgaser, was dazu ausgelegt ist, die Körner sanft ohne Totzonen fließen zu lassen. Die Wände des Entgasers und des Kornumleiters sollen aus einem nicht kontaminierenden Material sein. Ein Nicht-Siliziumträgergas wird in die Gasöffnung am Entgaser in Mengen, eine gewisse Zeit lang und in Frequenzen eingepulst, um eine vorbestimmte Menge von Körnern in ein anschließendes vertikales Entgaserrohr oder in den Kornumleiter zu bewegen. Wenn sich die Körner in dem Entgaser nach unten bewegen, wird das Reaktorgas durch ein inertes Gas ersetzt und am oberen Ende des Entgasers abgeleitet, während die Körner durch einen separaten Strom aus inertem Gas fallen, der von dem Kornumleiter nach oben steigt.
In dem vertikalen Entgaserrohr können der Kornfluß und die Online-Partikelgröße am besten gemessen und irgendeine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden. Kontaktlose Verfahren einer Festkörperflußmessung, wie mit Gewichtszellen an dem Reaktor und den Transferbehälter, eine Volumenmessung mittels Einteilungen an einem zylindrischen Transferbehälter, Mikrowellenniveaus oder Ultraschallniveaus können herangezogen werden. Eine Online- Partikelgrößenanalyse wird am besten mit einem kontaktlosen optischen Verfahren realisiert, wobei die Durchlässigkeit der Quarzwand ausgenutzt wird. Eine Oberflächenbehandlung mit einem hoch intensiven Licht oder Laser zum Glätten und Abrunden der Oberfläche ist ebenfalls kontaktlos, wobei wieder die Transparenz der Quarzwand ausgenutzt wird.
Der Kornumteiler nimmt die Siliziumkörner in einem Strom, der irgendein der Reaktorgase enthält, zum oberen Ende eines vertikalen oder annähernd vertikalen Rohres auf, wobei ein inertes Ablösegas in der Nähe des unteren Endes des Rohres eingeführt wird. Die Körner fallen als eine dichte Phase oder verdünnte Phase durch das inerte Gas, wobei irgendwelche verbleibende Reaktorgase von den Körnern effektiv abgelöst werden, und landen in ein kleines Fach für Siliziumkörner am unteren Ende des Rohres. Viele andere Rohre führen strahlenartig von dem unteren Ende des vertikalen Rohres hin zu den Behältern weg, die die Siliziumkörner aufnehmen sollen. Das inerte Gas wird in alle radiale Rohre außer denjenigen eingebracht, mit denen die Behälter aufgefüllt werden, wobei die Körner zu ihren Sollbestimmungsorten getrieben werden.
Nach einem kurzen Nebenanschluß fallen die Körner wieder durch ein vertikales oder annähernd vertikales Rohr durch ein oder mehrere gasreinigende oder -abführende Ventile. Diese Ventile können an den anderen radialen Rohren geschlossen sein, um die Siliziumkörner nicht durchzulassen, oder das inerte Gas kann durch die Ventile hindurchgelangen, falls eine Gasisolation nicht erforderlich ist. Die Körner gelangen weiter in den Aufnahmebehälter unter der inerten Atmosphäre, bis die Behälter ein akzeptables Füllniveau erreicht haben, wobei die Gase durch eine druck- oder flußgeregelte Abzugsöffnung austreten. Wenn das Füllniveau erreicht ist, nimmt der Edelgasfluß zu, und die Entlüftungsöffnung wird geschlossen, und ein weiterer Behälter wird gleichzeitig oder annähernd gleichzeitig geöffnet, um den Kornfluß von dem ersten Behälter in den zweiten Behälter umzuleiten. Nach einer kurzen Zeit, während welcher die Restkörner aus dem vertikalen Rohr fielen, werden die Gasabführventile geschlossen, und die Abführgeschwindigkeit wird erhöht, um den Innendruck beizubehalten, so daß der Behälter für einen Transport an einen anderen Ort abgetrennt werden kann.
Da es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein kostengünstiges, effizientes Fluidisierenbettenreaktorsystem zur Herstellung von hochreinem polykristallinem Silizium in körniger Form bereitzustellen, bei welchem die Produktkörner gleichmäßig groß, glänzend, rund und frei von Wasserstoff, Staub oder anderen Verunreinigungen sind. Bei diesem Prozeß werden keine Keimpartikel dem Bett zugeführt, allerdings werden sie stattdessen innerhalb des Betts ohne eine Verunreinigung erzeugt. Eine Segregation von großen Partikeln findet auch im Bett selbst in einer Dichtphase statt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das amorphe Silizium, das durch eine homogene Gasphasenreaktion erzeugt wird, durch eine Rekristillation in das polykristalline Siliziumprodukt einzuarbeiten, während das Einbringen von Wasserstoff vermieden wird, wobei ein Wasserstoffentfernen in die Reaktorausführung integriert wird und die Notwendigkeit für einen zweiten Dehydrierungsreaktor oder -einrichtung vermieden wird. Zudem stellt die Erfindung ein Verfahren zum Entfernen des Produktsiliziums aus dem Reaktor bereit, ohne das Produkt zu verunreinigen.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, den Zusatz von Nicht-Siliziumträgergas zu minimieren, ein Reaktorsystem zu schaffen, das die mit dem Verstopfen von Verteilerplatten in Verbindung stehenden Probleme ohne das Abkühlen des Verteilers zu eliminiert, und einen engen Partikelgrößenbereich für die Produktkörner zu schaffen. Weitere Aufgaben bestehen darin, das Verstopfen der stromabwärts gelegenen Leitung und Anlage zu vermeiden und den größten Teil der Wärme wiederzugewinnen, die für das Vorwärmen des ankommenden Gases benötigt wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Anordnung von Innenstrukturen innerhalb des Reaktors zu vermeiden, die mit Siliziumträgermaterial belegt werden könnten, und solche Ablagerungen zu entfernen oder zu bewältigen, die sich ergeben können, damit ein Ausfall des Reaktors vermieden wird.
Resumierend betrifft die Erfindung eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen großer, gleichförmiger, runder, glänzender, hochrein polykristalliner Siliziumkörner. Der Reaktor ist aus einem hochreinen Silizium enthaltenden Material, wie Quarz, gebildet und durch zwei oder drei Bereiche definiert: ein Einlaßbereich und ein Kornsammelbereich, der vertikal angeordnet ist. Bei einigen Ausführungen ist ein dritter konischer Bereich zwischen diesen positioniert. Eine Abdeckung um den Reaktor wirkt als Kontaminations- und Wärmebarriere. Der Einlaßbereich ist hinsichtlich seiner Höhe ungefähr genauso bemessen wie der Durchmesser des Reaktors und des Strahls, der von dem Einlaßsiliziumträgergas gebildet wird, das durch eine Einlaßöffnung am Boden des Reaktors eintritt. Der konische Bereich besitzt ungefähr die zweifache oder dreifache Höhe des Einlaßbereichs, was erforderlich ist, um eine Trennung der Körner der Größe nach zu erreichen. Der Kornsammelbereich besitzt zumindest das drei- bis fünffache des Volumens der beiden unteren Bereiche.
Die Funktionen des Reaktors sind integriert, obwohl einige prinzipiell in speziellen Bereichen realisiert sind. Der Einlaßbereich stellt die innere Keimbildung bereit, wenn der Strahl einige der großen Körner in diesen Bereich abschleift, um Keimmaterial zu bilden, das anschließend im Reaktor nach oben zu den anderen beiden Bereichen gelangt (abhängig von dem Betrieb des Reaktors kann das Abschleifen zwischen Körnern in einem anderen Bereich oder durch einen Kontakt zwischen den Körnern und der Wand des Reaktors stattfinden). Der konische Bereich mit seinem negativen Geschwindigkeitsprofil unterstützt die interne Segregation in der Dichtphase, die notwendig ist, um Siliziumkörner mit einem großen Durchschnittspartikeldurchmesser mit einer engen Partikelgrößenverteilung zu ernten. Große Körner gelangen in einer Tropfenströmung nach unten, während die kleinen Körner und das Gas nach oben gelangen. Eine gewisse Abscheidung findet in diesem Bereich durch eine körnige Filtration und durch CVD statt, obwohl die Siliziumträgergaskonzentration gering ist. Der Kornsammelbereich stellt eine Einwirkzeit und einen Einwirkraum für eine körnige Filtration des amorphen Siliziums bereit, das sich in dem Einlaßbereich an klebrigen Körnern bei einer hohen Temperatur bildet. Amorphes Silizium wird bei einer hohen Temperatur im ganzen Reaktor rekristallisiert, allerdings insbesondere in dem Kornsammelbereich, um einen nicht unterscheidbaren Teil der Siliziumkörner zu bilden. Einige Stoßvorgänge treten in diesem gut gemischten Bereich auf.
Der Einlaßbereich hat die höchste Silizium-Trägergas-Konzentration, und die höchste Abscheidungs- und Ablagerungsrate treten in diesem Bereich auf. Die Ablagerung durch CVD findet hier statt, obwohl ein großer Teil des Einlaß-Silizium-Trägergases sich in der Gasphase abbauen wird, um ein amorphes Silizium zu bilden. Hohe Zirkulationsraten halten diesen Bereich gut durchmischt. Die Körner werden warm gehalten, indem chemische oder Lichtenergie direkt in den Strahl durch das Gaseinlaßrohr eingebracht werden, wobei die Lichtenergie nicht von dem Gas sondern nur von den Festkörperkörnern in dem Strahl absorbiert wird. Eine hohe Temperatur läßt eine Abscheidung von Silizium in kristalliner Form ohne Einarbeitung von Wasserstoff zu, womit ein separates Dehydrisierungsverfahren unnötig wird. Die Körner werden in diesem Bereich abgerundet, indem die Gasdichte und die Partikelgröße eingestellt werden, wobei die Partikel-Reynoldszahl hoch genug gehalten werden soll, damit ein Abscheiden vorzugsweise an der flachsten Seite des Korns stattfindet.
Ein Verstopfen wird durch das Nichtvorsehen von irgendwelchen inneren Aufbauten einschließlich einem Verteilungsnetz vermieden. Halogenhaltiges Gas wird eingeblasen, um Restsiliziumträgergas und überschüssiges Pulver am Reaktorgasauslaß an dem oberen Ende des Reaktors zu digerieren, wo das Gas in die Siliziumträgergas-Produktionsanlage zurückgeführt wird.
Körner werden am Boden des Reaktors entfernt und mit dem ankommenden Siliziumträgergas gekühlt, das auf diese Weise vorgewärmt wird. Zusätzliche Verarbeitungsschritte werden in dem unteren Entfernungsrohr des Reaktors zugelassen, wie eine weitere Segregation, ein Polieren oder falls erforderlich ein Glühen. Der Kornstrom wird kontrolliert, und die Körper werden von dem Reaktionsgas in dem Entgaser befreit. Die Körner werden zu Transferbehältern durch einen Kornumlenker geleitet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Fluidisierbettreaktors zur Produktion von Silizium.
Fig. 2 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Reaktors.
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A nach Fig. 6 oder Fig. 7.
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie B-B nach Fig. 2.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie C-C gemäß Fig. 2.
Fig. 6 ist eine vergrößerte schematische vertikale Querschnittsansicht des Einlaßbereichs, des Gasinjektors und des Kornausgangs des Reaktors gemäß Fig. 2 mit einem integrierten Wärmeaustausch, wobei der Kornausgang eine Konizität von 0º < A < 65º aufweist.
Fig. 7 ist eine vergrößerte schematische vertikale Querschnittsansicht des Einlaßbereichs, des Gasinjektors und des Kornausgangs des Reaktors gemäß Fig. 2 mit einem entkoppelten Wärmeaustausch, wobei der Ausgang eine Konizität von 0º < A < 65º aufweist.
Fig. 8 ist eine schematische vertikale Ansicht eines Kornentfernungssystems mit einem Kornentgaser, Partikelmessungs- und behandlungssystemen, einer Kornumleitanordnung, Kornumleitabführventilen und entfernbaren Speicherbehältern.
Fig. 9 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Kornumleitabführventils.
Fig. 10 ist eine schematische vertikale Querschnittsansicht eines Online-Partikel- Meßsystems.
Fig. 11 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Partikel-Behandlungssystems mit einer Hochintensitätslichtquelle zum Wärmen der Oberfläche von Produktkörnern.
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Entfernen von sauerstoffangereicherten Komponenten aus verdünnten und/oder inerten Gasen.
Fig. 13 ist eine graphische Darstellung der Partikelgrößen und des Querschnittsdurchmessers eines Reaktors gegenüber der Höhe des Reaktors.
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der Partikelgrößenverteilung in einem Reaktor bei unterschiedlichen Höhen über dem Einlaß.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Fig. 1 stellt schematisch einen bekannten Silanreaktor bei der Bezugsziffer 10 dar (der aus der US-A-4 424 199 bekannt ist), der ein extrem hochreines Silan-Zuführmaterial verarbeitet, das in den Reaktor bei 11 gelangt, um als Nebenprodukt Wasserstoff, der bei 12 austritt, und um Silizium-Produktpartikel 3 herzustellen, die bei 14 gewonnen werden. Eine Pyrolysereaktion findet in einem Fluidisierbett 13 statt, in welchem Siliziumpartikel 33 schwebend gehalten werden. Das Fluidisierbett wird von einer geeigneten Wärmequelle 35 aufgeheizt, und zwar auf eine Temperatur, bei der sich das Silan abbaut, um Silizium zu produzieren, das sich an den Partikeln 33 in dem Fluidisierbett 13 abscheidet, und Siliziumpartikel wachsen und größer werden läßt. Wenn die Siliziumpartikel in dem Fluidisierbett größer werden, erreichen sie eine Größe, bei der sie nicht länger fluidisiert werden können und aus dem Fluidisierbett in eine Boot- (Stiefel-)Trennkammer 15 austreten, welche zum Aufnehmen der vergrößerten Siliziumpartikel 3 aus dem Fluidisierbett 13 ausgelegt ist. Gas 16, beispielsweise Wasserstoff, wird durch ein perforiertes Bauteil hindurch am Boden der Trennkammer eingeleitet. Der Gasfluß 16 ist derart geregelt, daß relativ kleine Keimgrößen-Partikel aus Silizium nach oben transportieren werden, er allerdings nicht die Bewegung von größeren Siliziumpartikeln beeinflußt. Kleine Keimgrößen-Partikel werden durch das obere Ende 19 der unteren Trennkammer hindurch transportiert und gelangen in das Fluidisierbett als Keimpartikel. Derartige kleine Partikel wachsen während der Reaktion in dem Fluidisierbett und werden größer und fallen als Siliziumproduktpartikel in den unteren Separator 15.
Das Verfahren zum Erzeugen von Keimpartikeln umfaßt das Plazieren eines Rohres 20 in der unteren Trennkammer 15. Eine Düse 22 an dem Ende des Rohres 20 ist nach unten ausgerichtet. Ein geeignetes Fluid 21, das vorzugsweise Recycle-Wasserstoff ist, allerdings ein anderes inertes Gas oder Edelgas, wie Argon oder Helium oder sogar eine bestimmte Menge des zugeführten Silan sein können, wird anschließend durch das Rohr 20 eingebracht und tritt an der Düse 22 als Hochgeschwindigkeitsstrahl aus, der nach unten in die untere Trennkammer 15 gerichtet ist. Die Fluidstrahl-Austrittsdüse 22 verursacht eine Turbulenz, und einige der Siliziumproduktpartikel in der unteren Trennkammer 15 werden bewegt, um aufeinander zu prallen, wodurch sie sich in kleinere Keimgrößenpartikel aus Silizium verkleinern. Das nach oben strömende Gas 16 transportiert die erzeugten Keimgrößen-Siliziumpartikel nach oben und durch das obere Ende 19 des unteren Trenners 15 in das Fluidisierbett. Der Fluidstrahl aus der Düse 22 schleift die Produktpartikel in dem Boot- (Stiefel)-Separator 15 ab und verkleinert sie aufgrund des gegenseitigen Kontakts, um Keimgrößen-Siliziumpartikel zu erzeugen. Die Technik eliminiert jegliches Behandeln des Produkts und erzeugt Material in Keimgröße, was direkt unterhalb des Fluidisierbetts erforderlich ist.
Der Betrieb dieses Silizium-Keimpartikel-Generators mit einem Fluidstrahl arbeitet vorzugsweise periodisch. Dies bedeutet, daß der Fluidstrahl-Keimgenerator für einen Betriebszeitabschnitt des Reaktors, beispielsweise eine viertel bis eine Stunde, betrieben werden kann, um die Keimgrößenpartikel für das Fluidisierbett in dem Reaktor zu erzeugen. Auf der Basis dieses Keimmaterials kann der Reaktor betrieben werden, wobei die Partikelgröße des gesamten schwebend gehaltenen Materials zunimmt und dadurch größere Partikel erzeugt werden, die für das Entfernen als Produkt 14 geeignet sind. Das Produktmaterial kann anschließend entfernt werden, und eine weitere Menge von dem Keimmaterial kann erzeugt werden. Der Silanpyrolysereaktor selbst wird kontinuierlich mit einem periodischen Entfernen des Produktmaterials und einer periodischen Erzeugung des Keimmaterials betrieben. Obwohl dies nicht bevorzugt ist, kann der Fluidstrahlgenerator kontinuierlich betrieben werden, um eine gewisse Menge Keimmaterial auf einer kontinuierlichen Grundlage zu schaffen. Jedoch ist ein derartiger kontinuierlicher Betrieb im Hinblick auf die Beeinträchtigung des Entfernens der Silizium-Produktpartikel 14 nicht erstrebenswert. Vorzugsweise wird der Fluidstrahl kurzzeitig betrieben, um gewisse Feinanteile zu erzeugen. Diese Feinanteile werden dann fluidisiert und in dem Fluidisierbettabschnitt wachsen, um größere Partikel zu erzeugen. Einige der erzeugten größeren Partikel werden als Produkt entfernt, und anschließend wird Keimmaterial noch einmal erzeugt.
Die Gasgeschwindigkeit innerhalb des Fluidisierbettes steht üblicherweise mit dem Durchmesser des Partikels und der Eigenschaften des Gases über einen Faktor in Bezug, der als minimale Fluidisiergeschwindigkeit bekannt ist, und die Geschwindigkeiten innerhalb des Reaktors liegen üblicherweise in einem Bereich des zwei- bis sechsfachen der minimalen Fluidisiergeschwindigkeit. Ein Arbeitsvorgang bei diesen höheren Strömungsniveaus und bei einer zwei- bis sechsfachen Fluidisiergeschwindigkeit wird normalerweise notwendig, um ein Partikelansammeln und ein Verstopfen der Partikelträgerplatte 26 zu vermeiden, was signifikante Probleme in sich birgt, welche den kontinuierlichen Betrieb des Reaktors beeinträchtigen. Das Verstopfen der Partikelträgerplatte ist besonders problematisch, weil der gesamte Reaktor letztendlich verstopft wird und eine große Siliziumabscheidung bildet, die extrem schwierig zu entfernen ist. Bei den meisten aus einem hochreinen Material, wie Quartz oder Sliziumkarbid, hergestellten Reaktoren kann diese Verstopfung zum Ausfall des Reaktors beim Abkühlen führen.
Die Ausführung des Trennrohrs 24 oder des unteren Separators 15 kann derart realisiert sein, daß ein entgegengesetzter Gasstrom bereitgestellt wird, der zum Vermeiden des Austretens von siliziumenthaltenden Materialien aus dem Reaktor, die von den austretenden Partikeln angetrieben werden können, und daß auch eine Segregation von größeren Partikeln aus kleineren Partikeln unternommen wird. Bekannte Ansätze dazu beruhen auf einer Segregation in dem Entfernungsrohr, der manchmal als Stiefel (boot) bezeichnet wird. Dieses Entfernen beruht auf dem Unterschied der Absetzgeschwindigkeit zwischen den kleinen und großen Partikeln. Jedoch ist es ein Merkmal der Fluidisierbetten, daß die Partikel dazu neigen, eher als Ganzes als als Individuum zu agieren, und damit ist es außergewöhnlich schwierig, eine signifikante Segregation auf diese Weise zu erreichen, außer wenn eine außergewöhnlich große Menge Gas verwendet wird, so daß die Partikel im wesentlichen unabhängig voneinander sind. Das Verwenden von einer derartig großen menge Gas erfordert das Recyclen von reinem Wasserstoff, allerdings sind die Anlagen für ein derartiges Reinigen und Recyclen teuer und kontaminationsanfällig.
Fig. 2 bis 7 zeigen im wesentlichen das erfindungsgemäße Reaktorsystem. Das System umfaßt einen Reaktorbehälter 101, eine Abdeckung 127 und einen Außengehäuseaufbau 110. Der Reaktorbehälter hat eine Wand 111, die eine Kammer 103 mit mehreren Bereichen definiert, um ein Bett aus Siliziumkörnern 102 zu enthalten. Bei der dargestellten Ausführung ist ein Einlaßbereich 116, ein konischer Bereich 118, ein Sammelbereich 120 und eine Freigabebereich 122 vorgesehen. Der dargestellte konische Bereich 118 und der Sammelbereich 120 sind Abschnitte eines Bereichs, der hier als oberer Bereich bezeichnet wird. Der Außengehäuseaufbau 110 stellt einen Personenschutz vor heißen Flächen bereit und ist das tertiäre Gehäusesystem für den Reaktor und das Erwärmungssystem gegenüber der Umgebung. Eine Abdeckung 127 dient als Kontaminationsbarriere zwischen dem Erwärmungssystem von dem Reaktor und dient als sekundäres Gehäuse gegenüber Leckage, die auftreten kann, wenn die Reaktorwand aus irgendeinem Grund brechen sollte.
Die Reaktoren gemäß der Erfindung haben ein Erwärmungssystem, um das Bett 102 auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen, um Wärmeverluste durch die Reaktorwand 111 hindurch zu kompensieren und Prozeßwärme dem ankommenden Gas 113, 115, 143 zur Verfügung zu stellen, um dieses auf Betriebstemperatur zu bringen. Die Körner in der Kammer müssen auf einer Betriebstemperatur von mindestens 500ºC gehalten werden, was dazu ausreicht, Silizium aus einem Siliziumträgergas auf die Körner abzuscheiden. Es wird aus der folgenden Erörterung ersichtlich, daß die Wahl der Wärmequelle mit dem Zweck, dem Ort und der Wahl des Konstruktionsmaterials für den Reaktor in Zusammenhang steht. Das dargestellte Reaktorerwärmungssystem umfaßt Strahlheizeinrichtungen 141, 143 und Wandheizsysteme 128, 129. Spezielle Stellen für die Wärmeeinspeisung sind die Wand 111 des Reaktors und ein Gaseinlaßdurchgang 130, der durch ein Gaseinlaßrohr 131 definiert ist, welcher Durchgang 130 zum Befördern eines Siliziumträgergases in den Reaktor über einen Fluidisiereinlaß 104 am oberen Ende des Rohres 131 positioniert ist.
Die Verwendung einer Strahlheizeinrichtung 141 und/oder 143 erweitert die Auswahlliste für das Reaktorkonstruktionsmaterial. Bei Systemen ohne Strahlheizeinrichtung muß ein Wandheizsystem die gesamte Prozeßwärme für das ankommende Gas bereitstellen, was zu größeren Wärmeflüssen, höheren Wandtemperaturen und stärkeren Siliziumwandabscheidungen führen kann, als der Reaktor dafür ausgelegt ist.
Das anfängliche Erwärmen des Betts und das Kompensieren von Wärmeverlust kann einfach durch kostengünstige zuverlässige Widerstandsheizeinrichtung 129 erreicht werden, wie sie in den Fig. 2 und 5 dargestellt sind. Diese haben den Vorteil geringer Kosten für eine hohe Anfahrenergie und geringe Betriebskosten im heruntergefahrenen Betriebszustand.
Der Prozeßwärmebedarf besteht am unteren Ende des Reaktors. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Körner in dem Einlaßbereich 116 bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC während des Abscheidens von Silizium auf die Körner gehalten werden, um den Wasserstoffgehalt der Körner zu verringern und um dem polykristallinen Aufbau bei den gesamten Körnern zu unterstützen. Das Widerstandsheizen durch die Wand hindurch in diesem Bereich ist wegen der hohen Wandtemperaturen keine gute Wahloption, allerdings stellen Mikrowellen oder Infrarotwärmequellen 128 und Strahlheizeinrichtungen 141 und/oder 143 gute Lösungen dar. Das Mikrowellenerwärmen 128 durch die Wand 111 bedarf einer aktiven Abkühlung der Wand 111 in dem Einlaßbereich 116 an der Basis des Reaktors, um das gewünschte Durchdringen in das Bett zu erreichen, allerdings kann dies an einem örtlich begrenzten Bereich kosteneffektiv sein. Infrarotes Heizen kann im Gegensatz zum Mikrowellenheizen nicht in das Bett durchdringen, allerdings ist diese Maßnahme weniger komplex und kostengünstiger. Das Mikrowellen- und Infrarotheizen schließen sich an einem gegebenen Ort gegenseitig aus. Das Strahlheizen ist insofern vorteilhaft, als Wärme in die Mitte des Reaktors eingebracht wird, allerdings ist sie teuer aufzubauen und zu betreiben. Entweder eine Mikrowellen- oder eine Infrarotheizeinrichtung 128 oder zwei Strahlheizeinrichtungen 141, 143 können bei der in den Fig. 2 und 4 dargestellten Ausführungen simultan betrieben werden. Fig. 4 zeigt ein Mikrowellenbereichssystem, bei dem der gesamte Hohlraum 112 zwischen der Abdeckung 127 und der Außenmetallhülle des Gehäuseaufbaus 110 mit einer Isolierung 140 gefüllt ist. Diese Isolierung sollte im wesentlichen mikrowellendurchlässig sein. Es ist bekannt, daß eine Isolierung aus einer Mischung von Aluminiumoxid und Siliziumdioxid zu diesem Zwecke geeignet ist. Der Gehäuseaufbau 110 insbesondere in dem Einlaßbereich 116 kann aktiv abgekühlt werden, beispielsweise mit einem Kühlmantel.
Im oberen Bereich 118, 120 sind Widerstandsheizer 129 direkt neben der Abdeckung 127 mit einer Isolierung 140 zwischen den Heizern und der Außenhülle 110 angeordnet, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Der obere Bereich 118, 120 sollte so bemessen, geformt und erwärmt sein, daß die Körner in diesem Bereich bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC eine bis 24 Stunden lang gehalten werden, um den Wasserstoffgehalt der Körner zu reduzieren und den polykristallinen Aufbau in allen Körnern zu unterstützen. Der beste Lösungsansatz besteht darin, Widerstandsheizer 129 für diesen oberen Bereich 118, 120 mit einer optimierten Konfiguration von Strahlheizeinrichtungen 141 und 143 und Mikrowellen von einer Mikrowellenquelle 128 für den Einlaßbereich 116 zu verwenden.
Ein Wärmeleitfähigkeits-Sensor (TCD), der über eine Probenleitung mit einem ringförmigen Raum oder Hohlraum 109 zwischen der Reaktorwand 111 und der Abdeckung 127 verbunden ist, kann verwendet werden, um irgendwelche Leckagen von Prozeßgasen aus dem Reaktor zu detektieren. Falls Quarz als Konstruktionsmaterial für die Reaktorwand 111 und die Abdeckung 127 verwendet wird, was das beste Material ist, um den Wärmeübertrag und die Reinheitsziele zu erreichen, gelangt der Wasserstoff bei einer geeigneten Geschwindigkeit bei erhöhten Temperaturen durch das Quarz. Ein inertes Abführ- oder Säuberungsmittel, vorzugsweise Stickstoff, kann damit mit einer TCD verwendet werden, um unsichere Bedingungen in dem den Reaktor umgebenden Bereich zu vermeiden. Das Abführgas kann von einem Gaszirkulierungssystem (nicht dargestellt) behandelt werden, welches das Gas durch den Raum 109 fließen läßt und somit das Gas umleitet und irgendeine externe Verunreinigung, welche zur Wand 111 strömt, und irgendein Gas einfängt, das sich durch die Wand 111 verflüchtigt. Der Raum 109 steht in thermischer Verbindung mit der Wand 111, so daß aus dem Behälter austretende Wärme ebenfalls auf das Abführgas übertragen wird.
Der Reaktorbehälter 101 kann aus irgendeinem hochreinem siliziumenthaltendem Material gebildet sein. Die dargestellte Wand 111 besteht im wesentlichen einteilig, obwohl Abschnitte des Reaktors aus mehr als einem Stück gefertigt sein können. Bei einer besonderen Ausführung kann es vorteilhaft sein, den Reaktor aus mehr als einem Stück an seinem Boden zu fertigen, wo die Rohre für die Einlaßgase 113, 115, 143 und ein Siliziumkornentfernungsrohr 114 zusammentreffen. Diese Rohre einschließlich Rohr 135 (219 in Fig. 8), das bei der Ausführung gemäß Fig. 6 sowohl als Gaseinlaßrohr als auch als Auslaß oder Kornentfernungsrohr dient, kann vorteilhafterweise getrennt gefertigt und in den Reaktor eingesetzt sein, wie in Fig. 6 und in der Querschnittsansicht gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann das Kornentfernungsrohr 114 (mit Gaseinlaß 219 in Fig. 8 dargestellt) auch von dem Einlaßgasrohr 135 in dem Fall getrennt sein, wenn ein Wärmeübertrag zwischen den Einlaßgasen 113, 143 und den Körnern nicht erwünscht ist, die durch das Rohr 114 austreten. Alternativ ist es möglich, die gesamte Anordnung als eine Einheit, also einstückig, herzustellen.
Vor dem Einblasen des Siliziumträgergases zum Fluidisieren der Körner ist es wünschenswert, jegliche sauerstoffenthaltenden Verunreinigungen aus dem Behälter und den Körnern zu entfernen, indem sie mit einem halogenhaltigen Gas reagieren. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein halogenhaltiges Gas 143, das von einer geeigneten Quelle zugeführt wird, durch Einlässe 104, 106 am oberen Ende der Rohre 131, 132 eingeblasen wird. Das halogenhaltige Gas reagiert mit siliziumenthaltenden Spezies an der Körnerwand, um halogenisiertes Siliziumträgergas zu bilden, die wiederum mit Verunreinigungsfilmen zur Bildung von Festkörperpartikel reagieren. Die Festkörperpartikel werden aus dem Reaktor durch den Gasfluß mitgenommen. Das halogenhaltige Gas kann auch ein Verdünnungsgas umfassen.
Um eine Siliziumabscheidung zu erreichen, wird das Siliziumträgergas 113 bei einer Geschwindigkeit eingeblasen, die ausreichend groß ist, um einen Fluidisierstrahl 117 zu bilden, wenn er in das untere Ende der Kammer 103 durch den Einlaß 104 hindurch gelangt. Das Silizium in dem Siliziumträgergas kann in der Form von Silankomponenten, halogenisierten Silankomponenten und einer Mischung daraus vorliegen. Das Siliziumgas kann auch ein Verdünnungsgas umfassen.
Favorisierbare Ergebnisse werden erzielt, wenn der Behälter 101 und der Fluidisierstrahl 117 derart bemessen und geformt werden, daß Partikel am Boden der Kammer 103 in der Position eines maximalen Widerstands ausgerichtet sind. Dies kann erreicht werden, indem ein oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte verwendet werden: Klassifizieren der Partikel innerhalb des Behälters, so daß die größten Körner sich zum Boden des Behälters bewegen, Antreiben der Partikel in dem Fluidisierstrahl, die Einlaß- und Auslaßströmgeschwindigkeit und die Strahlgeschwindigkeit ausreichend hoch halten, um eine Bildung eines Partikelbetts mit ausreichender Höhe zu unterstützen, um einen erhöhten Reaktorrückdruck in dem Einlaßbereich zu halten, Regulierung der Auslaßströmgeschwindigkeit, um einen erhöhten Reaktorrückdruck in dem Einlaßbereich zu halten, Regulierung der Geschwindigkeit von Fluiden, die in den Behälter gelangen, und Schaffen eines Behälters, der ein Wandprofil aufweist, das einen Betrieb bei einer Partikel-Reynoldszahl von 5,5 bis 200 am Boden des Behälters zuläßt.
Die kinetische Energie des Gases am Einlaß 104 kann dadurch verändert werden, daß der Massenfluß, die Zusammensetzung, die Temperatur oder der Druck des Gases oder der Durchmesser des Durchgangs 130 verändert wird. Die kinetische Einlaßenergie des Gases steht im wesentlichen mit der Produktionsrate und der Größe der Partikel in Beziehung, welche Partikel durch den Zusammenstoß von Kornpartikeln miteinander in dem Strahl 117 erzeugt werden. Wenn der Strahl 117 in das Bett 102 innerhalb des Einlaßbereichs 116 gelangt, treibt er die Bettpartikel in den Strahl, wodurch sich die Bettpartikel abschleifen und abreiben, woraus sich kleine Partikel ergeben. Die kleinen Partikeln, die manchmal geschliffene Körner oder Keimpartikel genannt werden, sind ungefähr 100 bis 600 um groß. Partikel dieser Größe sind ausreichend klein, so daß sie als Keimkörner für eine zusätzliche Siliziumabscheidung dienen können.
Wenn diese heißen Körner in das relativ kalte ankommende Siliziumträgergas üblicherweise in einem Umgebungstemperaturbereich von 450ºC getrieben werden, diffundiert das Siliziumträgergas in die Oberfläche der heißen Körner, wo es sich abscheidet, und heißer Wasserstoff und eine gewisse Menge an heißen Siliziumdampf verläßt die Oberfläche, und eine gewisse Menge an dem Silizium verbleibt an der Oberfläche. Dieses Verfahren macht die Körner kälter und läßt sie größer wachsen und baut das Siliziumträgergas ab. Wenn das Siliziumträgergas weiter zur Ausströmöffnung oder Strahl 117 gelangt, wird es zunehmend wärmer, bis am Ende der Ausströmöffnung fast das ganze Siliziumträgergas in Silizium umgewandelt worden ist, was entweder auf die Körner abgeschieden worden ist oder zu kleinen amorphen Siliziumpartikeln gebildet ist. Diese sehr kleinen Partikel steigen nun entlang des Bettes zu den Bereichen 116, 118 auf, gelangen in die Blasen 119 und in die Hohlräume des Bereichs 118. Am oberen Ende des Strahls 117 verlassen die meisten Körner, die angetrieben und von dem Einlaßsiliziumträgergas abgekühlt wurden, den Strahl 117 und kehren im Bereich 116 zwischen den Seiten des Strahls 117 und der Wand 111 zurück in die Emulsion. Einige dieser Körner treten durch einen Auslaß 107 am Boden des Reaktors 101 aus. Der Auslaß 107 ist mit einer Ringöffnung 133, die den Strahl 117 umgibt und mit einem Kornentfernungsrohr 114, wie in Fig. 6 dargestellt ist, oder mit einem entkoppelten Entfernungsrohr 114, wie in Fig. 7 dargestellt ist, verbunden. Die austretenden Körner gelangen weiter nach unten durch das Kornentfernungsrohr 114 hindurch, durchqueren den Entgaser und den Kornumleiter, der in Fig. 8 gezeigt ist, und werden in einem herkömmlichen Behälter 246 oder 253 gesammelt, der normalerweise geschlossen gehalten wird, damit keine Kontamination der Körner durch die Umgebungsluft möglich ist.
In der Kammer 103 werden amorphe Siliziumpulverpartikel aus dem direkten Abbau von Silan in der Gasphase gebildet und haben einen Partikeldurchmesser in der Größenordnung von 60 bis 1200 nm. Es ist hilfreich für den Einlaßbereich 116 und den Fluidisierstrahl 117 so bemessen und geformt zu sein, daß ein Anteil feiner Siliziumpartikel, die in dem Einlaßbereich 116 gebildet sind, in den Fluidisierstrahl 117 einzirkulieren, so daß die feinen Partikel aufgrund einer heterogenen Siliziumabscheidung der Durchschnittsgröße nach zunehmen und eine homogene Keimbildung unterdrückt wird.
Bei der vorteilhaften Ausführung der Strahlerwärmung kann Energie dem Strahlbereich 117 der Kammer 103 auf eine Weise zugeführt werden, daß nicht die ganze Wärmeübertragung durch die Reaktorwand 111 hindurch benötigt wird. Insbesondere kann Wärmeenergie dem Strahl durch einen Hochintensitätslichtstrahl 141 und/oder durch eine chemische Reaktion zugeführt werden, bei dem oxidierendes Gas 143 eine Rolle spielt. Diese Energie stellt die meiste oder die gesamte Prozeßwärme und vermeidet den Wärmeverlust am Boden des Reaktors, womit die Netzkühlung der Körner verhindert wird, die sonst in dem Strahl 117 auftreten würde. Ein derartiges Abkühlen der Körner in der Mitte des Reaktors wird manchmal als unterdrücktes Temperaturprofil quer über den Einlaßbereich 116 des Reaktors beschrieben.
Das Hochintensitätslicht 141, was von einer Strahlenergiequelle (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt wird, ist derart ausgerichtet, daß es entlang des Gaseinlaßdurchgangs 130 nach oben ohne erheblichen Verlust durch die Seiten 135 gelangt, und besteht aus einer geeigneten Frequenzverteilung, so daß von dem Siliziumträgergas 113 absorbierte Energie innerhalb der Kammer nicht ausreicht, um dieses Gas abzubauen, und so daß irgendeine Restenergie von den Siliziumkörnern absorbiert wird. Verschiedenartige Fokkusiertechniken entweder für cohärentes oder nicht-cohärentes Licht, beispielsweise mit Linsen, Spiegeln oder optische Fasern, können sowohl innerhalb als auch außerhalb des Reaktors herangezogen werden. Ähnlich dazu kann die gewünschte Frequenzverteilung von einer cohärenten oder nicht- cohärenten Quelle erzeugt und abgestimmt werden, um die bekannten Absorptionsbänder von Siliziumträgergas zu vermeiden.
Der innere Gaszuliefer- oder Einlaßdurchgang 130 wird durch die Innenfläche des Rohres 131 definiert. Das Rohr 132 umgibt konzentrisch das Rohr 131. Ein oxidierendes Reaktantgas 143, das von einer Quelle eines halogenhaltigen Gases (nicht dargestellt) zugeführt wird, durchläuft einen ringförmigen Raum 145, der zwischen den Rohrwänden 131 und 132 definiert ist. Der Reaktant gelangt dann von dem ringförmigen Raum 145 durch einen ringförmigen Gaseinlaß 106 hindurch in den Einlaßbereich 116 an einer Stelle benachbart dem Fluidisiergaseinlaß 104. Wenn sich das Reaktantgas 143 in dem Einlaßbereich 116 befindet, mischt es sich und reagiert exotherm mit einem Teil der Siliziumträgerspezies, wie Siliziumkörner, Siliziumstaub und Siliziumträgergas 113, um Energie bereitzustellen, welche die Körner in dem Einlaßbereich erwärmt. Diese exotherme Reaktion wirkt als Energiequelle in der Mitte des Reaktors, womit das Temperaturprofil abgeflacht wird. Da die Reaktion unreagiertes siliziumenthaltendes Material in halogenierte Spezies umwandelt, vermeidet es auch die Abscheidung von Silizium auf Flächen um den Reaktoreinlaß. Die besten oxidierenden Reaktanten 143 sind diejenigen, die eine große Menge an Energie bei einer geringen Reaktantenmenge und bei einem geringen Verbrauch einer Silizium- oder Siliziumträgergasmenge erzeugt. Ein derartiger oxidierender Reaktant ist am besten ein elementares Halogen oder Hydrohalide, die mit dem Rest des Systems zusammenpassen.
Der Einlaßgasstrom ist ein kleiner Fluidisiergasstrom üblicherweise in einer Größenordnung von 0,5% bis 5% vom Volumen des ganzen Gasstroms des Reaktors. Bei der integrierten Wärmeaustauschausführung gemäß Fig. 6 hält der Gasstrom 115 die Körner am Ausgang von dem Bett und im Auslaßdurchgang oder -ringraum 133 in Bewegung und stellt das treibende Gas in dem Entfernungsrohr 114 dar. Es umströmt auch das meiste des Siliziumträgergases, das mit den Körnern angetrieben worden sind, wenn sie den Reaktor verlassen.
Der Einlaßdurchgang 130 und der Auslaßdurchgang 133 sind thermisch gekoppelt. Wenn somit die Körner durch den Auslaß 107 und entlang dem Ringraum nach unten oder entlang dem Entfernungsdurchgang 133 nach unten gelangen, der das Einlaßgasrohr 131, wie in Fig. 3 oder Fig. 6 gezeigt ist, umgibt, wird Wärme von den Körner auf die Gase 113, 115, 143 übertragen, die sich auf den Einlaß 104, 107, 106 zubewegen. Dies dient dazu, die Einlaßgase zu erwärmen. Allerdings wird die Geschwindigkeit des Wärmeübertrags an irgendeiner Stelle reguliert, um ausreichend klein zu sein, so daß die Temperatur der Innenfläche des Siliziumträgergaseinlaßrohres 131 unterhalb der Temperatur bleibt, bei der im wesentlichen eine Abscheidung des Silizium an der Fläche des Rohres 131 stattfinden würde.
Bezugnehmend auf die Ausführung gemäß den Fig. 2 bis 6 ist es vorteilhaft, einen dünnen Siliziumfilm auf gegenüberliegenden Flächen der Quarzwände 134, 135 vorzusehen, um einen Abrieb der Siliziumkörner und die daraus folgende Kontaminierung des Siliziums zu verhindern. (Bei der Ausführung gemäß Fig. 7 ist eine Siliziumschicht an der Innenfläche des Kornentfernungsrohres 114 vorgesehen). Der Siliziumfilm wird durch thermischen Abbau der Siliziumträgerkomponente in dem Gas abgeschieden, das durch den Durchgang 133 den durch den Durchgang 133 austretenden Körner entgegenströmt. Unkontrollierte Siliziumabscheidungen würden ein Verstopfen im Zeitablauf verursachen. Somit muß für einen wünschenswerten Betrieb des Reaktors ein Gleichgewicht zwischen der Siliziumabscheidung an Wänden von Rohren 134 und 135 und des Abriebs durch die Körner vorgesehen sein. Daher wird die Strömung und die Zusammensetzung des Gases 115 derart gewählt, daß ein Gleichgewicht zwischen der Abscheidung und der Erosion einer Siliziumwandablagerung an der Wand des nach unten gerichteten Rohres oder an der Wand des inneren Gaszulieferrohres 134 und des äußeren Gaszulieferrohes 135 beibehalten wird, das durch den ringförmigen Bereich 133 definiert wird. Das Gas 115 kann auch ein Ätzmittel enthalten, das zum Erhöhen der Siliziumentfernungsgeschwindigkeit benötigt wird. Indem auf diese Weise ein Gleichgewicht zwischen Erosion/Ätzen und Siliziumabbau erhalten wird, wird die Dicke der Siliziumschicht in einem vorbestimmten Bereich gehalten. Das Strömen des Siliziumträgergases und/oder des Ätzmittels in dem Gas 115 kann konkurrierend mit dem Entfernen von Körnern durch den Durchgang 133 oder während Unterbrechungen beim Entfernen erfolgen, was sich am besten für den Betrieb des Reaktors eignet.
Die Wärme-Übertragsrate von dem außenseitigen Ringraum 133 auf den Innendurchgang 130 kann auf verschiedene Arten geregelt werden. Diese Arten umfassen das Einstellen der für die austretende Körner zur Verfügung gestellte Fluidisiermenge, das Auswählen der Wanddicke des Mittelrohres 133 und das Bereitstellen verschiedener Übertragsbarrieren, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Eine derartige Reihe von Barrieren kann dadurch gebildet werden, daß eine Einlaßrohranordnung gebildet wird, die einige konzentrische Rohre, wie die Rohre 132, 134, mit Spalten dazwischen aufweist, die dazu dienen, den Wärmeübertrag quer über die den Spalt oder die Spalten zwischen den Schichten zu reduzieren. Diese Wärmeübertragsregulierungstechnik ist bei dem integralen Wärmetauschersystem gemäß Fig. 6 nützlich, allerdings bei dem entkoppelten System gemäß Fig. 7 nicht notwendig.
Die in Fig. 7 gezeigte Ausführung hat einen entkoppelten Wärmeübertrag zwischen dem Einlaßgas 113 und den austretenden Körnern. Es ist auch gezeigt, daß das Gaseinlaßrohr 135 und das Kornentfernungsrohr 114 konisch sein können. Bei dieser Ausführung muß das Einlaßgas 113 vollständig auf die Reaktoreinlaßtemperatur unter Ausnutzung des stromaufwärts des Reaktors liegenden Vorheizers erwärmt werden. Die anderen Einlaßgase 115, 143 können ebenfalls entweder in der integralen Wärmeaustauschausführung gemäß Fig. 6 oder in der entkoppelten Wärmeaustauschausführung gemäß Fig. 7 erwärmt werden. Die Körner müssen dann unter Ausnutzung des Kornentfernungsrohr 114 auf eine sichere Betriebstemperatur abgekühlt werden, weil sie die Einlaßgase nicht länger erwärmen. Das Einlaßsiliziumträgergas 113 kann durch eine Wärmequelle so lange erwärmt werden, bis weder die Wandtemperatur noch Massentemperatur die Abbautemperatur des Siliziumträgergases übersteigen.
Der Strom 115 wird als kleines Gasabführmittel gemäß Fig. 7 bewahrt, um eher den Spalt 133 für das Einsetzen als die Körner zu säubern, wie in Fig. 6 ersichtlich ist. Dieser Spalt 133 dient zu folgenden Zwecken: er stellt eine thermische Unterbrechung zwischen dem Reaktor und dem Gasinjektor dar, und er ist ein Ausdehnspalt, falls unterschiedliche Konstruktionsmaterialien für den Reaktor und den Injektor verwendet werden. Das Reinigungsgas 115 kann verdünnt sein oder ein halogenhaltiges Gas sein.
Das Kornentfernungsrohr 114 kann an dem oberen Ende konisch sein, wie in Fig. 7 dargestellt ist, um eine weitere Segregation der Körner durch das Fluidisiergas zuzulassen, das den Körnern entgegenströmt. Bei der integralen Wärmeaustauschausführung gemäß Fig. 6 ist das Rohr 135 konisch. Dieses Gas wird in den Kornentfernungsprozeß eingeblasen, wie in Fig. 8 dargestellt ist, und kann als Strom 201 oder Strom 202 injiziert werden. Dieser Strom ist vorzugsweise Wasserstoff. Bei dieser Ausführung wird der in Fig. 8 dargestellte Ringraum durch das einfache Entfernungsrohr ersetzt, das in Fig. 7 dargestellt ist. Die Körner werden in einem Wärmetauscher 138 abgekühlt, der ein Gas oder eine Flüssigkeit zum Kühlen nutzt.
Der Gaseinlaßdurchgang 130 kann ebenfalls, falls gewünscht, konisch sein. Die Vorteile einer Konizität bestehen darin, einen Druckabfall zu reduzieren und die Übertragung von Lichtenergie in den Reaktor zu verbessern. Die Verwendung eines konischen Injektors ermöglicht es dem Fenster 142, größer als der Lichtstrahl 141 zu sein, was ein Streuen von den Rändern des Fensters aus reduziert.
Wenn Gas eingeblasen wird, kann der Inhalt des Einlaßbereichs 116 am besten als eingetauchtes Sprudelbett bezeichnet werden. Wenn das Gas das obere Ende des Strahls 117 verläßt, verläßt es auch den Einlaßbereich 116 des Reaktors. Das Gas gelangt dann in einen oberen Bereich, der den konischen Bereich 118 und den Sammelbereich 120 der dargestellten Ausführung umfaßt und der über dem Einlaßbereich 116 liegt. Der Inhalt des oberen Bereichs 118, 120 kann am besten als Blasen-Fluidisierbett bezeichnet werden, wenn Gas eingeblasen wird.
Fig. 2 zeigt eine Konfiguration, die einen konischen Bereich 118 unmittelbar über den Einlaßbereich 116 umfaßt. Der dargestellte konische Bereich 118 hat einen einzigen Konizitätswinkel, obwohl mehr als ein Konizitätswinkel verwendet werden kann, sogar ein Konizitätswinkel, der kontinuierlich in Abhängigkeit der Höhe variiert. Über dem konischen Bereich ist im wesentlichen ein zylindrischer Kornsammelbereich 120 vorgesehen. Es soll klar sein, daß der obere Bereich 118, 120 aus einem einzigen zylindrischen Abschnitt bestehen kann; ein derartiger Reaktor ist im Hinblick auf die Siliziumabscheidung effektiv, allerdings würde er die Partikel nicht segrieren, genauso wie auch ein Reaktor, bei dem zumindest ein Abschnitt des oberen Bereichs konisch war. Die Verwendung eines konischen Abschnitts, wie des konischen Bereichs 118, führt zu einem Produkt mit einer engeren Partikelgrößenverteilung. Es ist möglich, einen oberen Bereich 118, 120 zu verwenden, der auf der gesamten Kühlstrecke konisch gebildet ist; allerdings um Reaktore mit einem übermäßig großen Maximaldurchmesser zu vermeiden, ist es am besten, zumindest einen Abschnitt des oberen Bereichs im wesentlichen zylindrisch auszuführen, wie in dem Sammelbereich 120 gemäß Fig. 2 dargestellt ist.
Die in dem konischen Bereich 118 gelangenden Blasen 119 enthalten einen wesentlichen Anteil der Keimpartikel, die in dem Einlaßstrahl 117 erzeugt sind; und einen großen Teil der amorphen Siliziumpartikel. Wenn diese Blasen in den konischen Bereich 118 gelangen, neigen die feinen amorphen Siliziumpartikel dazu, von den größeren Körnern gefangen zu werden, wenn sie von Blase 119 zu Blase 119 durch die Zwischenblasenemulsion 121 fortschreiten. Es ist aus diesem Grund vorteilhaft, einen beträchtlichen Raum zwischen den Blasen zu haben und die Temperatur zu halten, so daß das Körnerbett in dem oberen Bereich 118, 120 als eine körnige Filtrationseinrichtung zum Filtern der feinen amorphen Siliziumpartikel dient.
Die größeren Keimpartikel können ebenfalls von den Bettpartikeln gefangen werden, allerdings neigen sie gewöhnlich dazu, von den großen Partikeln abzuprallen, was einen ausreichenden Antrieb bietet, der den Partikeln in diesem Bereich zur Verfügung steht. Der Antrieb und die Bewegung der Bettpartikel sind in jedem Fall erforderlich, um einen Schutz gegen eine umfangreiche Ansammlung von Partikeln in einer Totzone bereitzustellen, die in dem Bett auftreten kann.
Wenn die Blasen 119 den konischen Bereich 118 entlang nach oben fortschreiten, treiben sie die Körner an. Dieser bewegungserregende Antrieb erleichtert die Einteilung der Körner der Größe nach, so daß die größeren Körner dazu neigen, zum unteren Ende des konischen Abschnitts des Behälters nach unten zu gelangen, wobei die kleineren Körner dazu neigen, sich in den konischen Bereich nach oben zu bewegen. Die Blasengröße in diesem Bereich wird am besten kleiner als der Reaktordurchmesser mittels einer Regelung der Reaktorrohrabmessungen gehalten. Wenn der konische Abschnitt sich dem zylindrischen Abschnitt nähert, kann sich die Konizität ändern, und die Blasen können anwachsen, sogar genauso groß wie der Durchmesser des Betts 121, 103 werden, die den gleichen Durchmesser aufweisen. Die Geschwindigkeit- und Blasengrößenwahl stellt einen Kompromiß zwischen der Wirksamkeit der Filtration der feinen amorphen Silikonpartikel und des Bereitstellens eines bewegungserregenden Antriebs dar, um das Ansammeln der Bettenpartikel zu vermeiden.
Wenn einmal eine Blase 119 so groß wie die Kammer 103 wird, nimmt das Bett 102 ein Stoßverhalten an, wobei bei diesem Verhalten Abschnitte des Bettes 102 unversehrt angehoben werden und Gas durchbricht, um entlang des Bettes 102 weiter nach oben zu gelangen. Dies führt dazu, daß der Filtrationsmechanismus umgangen wird, und führt zu einem Abfall der Gesamtfiltrationseffizienz und ist normalerweise zu vermeiden, insbesondere in dem konischen Bereich 118, wo eine effiziente Filtration ziemlich wichtig ist. Am Übergang zwischen dem konischen Bereich 118 und dem Kornsammelbereich 120, der ebenfalls ein Bett enthält, das als körnige Filtrationseinrichtung dient, ist es wünschenswert, die Reaktorform zu ändern, so daß sie im wesentlichen zylindrisch ist. Diese Formänderung ändert auch das Fluidisierverhalten, so daß anstatt einer Segregation der Partikel das Partikelbett 102 gut gemischt wird. Die Vorteile dieser Änderung sind dreifältig: geringere Investitionskosten, eine Partikelgrößenregelung und ein Erhalt einer Siliziumwandabscheidung.
Während die Reaktorwand 111 aus einem hochreinem Material gebildet ist, neigt sie immer noch dazu, das Produkt zu kontaminieren, weswegen es wünschenswert ist, eine Siliziumwandabscheidung am ganzen Reaktor beizubehalten. Ein Gleitmittel kann verwendet werden, um einen Bruchschaden am Reaktor wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnung zwischen der Wand und der Wandabscheidung zu vermeiden, insbesondere wenn der Reaktor abgekühlt wird. Ein Gleitmittel ist eine relativ nicht haftende Schicht oder Beschichtung, die an der Innenfläche der Wand 111 des Reaktors vor dem Einführen des Siliziumträgergases aufgebracht wird, um die Bindung der nachfolgenden Siliziumwandabscheidung mit dem Wandmaterial zu vermeiden. Das Gleitmittel muß haftend sein, aber weder stark mit der Reaktorwand noch mit sich selbst gebunden sein. Es kann an der Wandabscheidung haften oder mit der Wandabscheidung gebunden sein, weil das Silizium sehr klebrig ist. Die Gleitmittelschicht muß eine geringere Scherfestigkeit als die Reaktorwand aufweisen, so daß sie vor der Wand 111 brechen wird, wenn bei den Temperaturänderungen eine Belastung mitgeteilt wird, wobei angenommen wird, daß die Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Reaktorwand und die Siliziumwandabscheidung unterschiedlich sind. Dies kann dadurch realisiert werden, daß das Gleitmittel in Pulverform bei Vermeidung einer Sinterung gehalten wird.
Diese Eigenschaften können irgendein fein zermahlenes Pulver oder Staub aufweisen, die eine Tammann-Temperatur haben, die größer als die Betriebstemperatur ist. Die besten Ergebnisse werden mit einem Pulver erzielt, das einen Schmelzpunkt in Kelvin aufweist, der mehr als zweimal so hoch wie die Temperatur, auch in Kelvin, der abgeschiedenen Siliziumschicht während des Betriebs des Reaktorsystems ist. Silica ist wegen ihrer Reinheit und Einfachheit am besten. Eine fein zermahlene Silicaschicht kann durch Oxidation oder Hydrolysieren eines Siliziumträgergases in dem erwärmten Reaktor vor dem Hochfahren abgeschieden werden. Erfindungsgemäß ist es am zweckdienlichsten, das Mittelrohr, um das Siliziumträgergas einzuführen, und den Ringraum für das sauerstoffhaltige Gas zu verwenden. Die Verwendung eines Verdünnmittels für beide Gase ist für den Erhalt einer gleichmäßig dünnen Schicht vorteilhaft, d. h., die Siliziumträgergas- und die sauerstoffhaltige Gaskonzentration kann zwischen 0% und 100% variieren. Eine minimale Beschichtungsdicke von 0,1 um ist erforderlich, allerdings sind dickere Abscheidungen akzeptabel, wobei die besten Ergebnisse in einem Bereich von 1 bis 5 um liegen. Es ist wichtig, daß in dieser Beschichtungsschicht mehrere Partikelschichten als Gleitmittel vorgesehen sind, woraus sich die Anforderung ergibt, daß die Partikel in einer Größenordnung vorliegen, die dem Durchmesser nach kleiner als die Dicke der Gleitmittelschicht ist.
Um zusätzlich den Reaktor zu schützen, sollte das an der Behälterwand abgeschiedene Silizium zumindest teilweise entfernt sein, bevor die Wand des Behälters um mehr als 100ºC abgekühlt werden soll. Dies kann dadurch erreicht werden, daß bei oder in der Nähe der Betriebstemperatur mittels eines halogenenthaltenen Gasätzmittels geätzt wird.
Es sei erkannt, daß die Regelung der Partikelgrößenverteilung ein schwieriges Problem ist, das bei der Konstruktion und dem Betrieb des Reaktors betrachtet werden muß, wobei sowohl eine grobe als auch eine feine Regelung notwendig sein kann. Eine grobe Regelung der Neukeimpartikelproduktion kann dadurch erreicht werden, daß der Durchmesser und der Aufbau der Einlaßöffnung 104 ausgewählt wird, die durch ein Rohr 131 definiert ist, und daß der Massenfluß und die Dichte des Einlaßgases 113 variiert werden. Eine feine Regelung der Schleifmenge kann durch Einstellen des Stromes durch einen der mehreren Zusatzeinlässe 125 eingestellt werden, die zusätzliche Strahlen, wie den Strahl 105, erzeugen. Die kinetische Energie kann eingestellt werden, indem der Einlaßöffnungsdurchmesser, die Fluidzusammensetzung, der Massenfluß, der Druck und/oder die Temperatur verändert werden. Die zusätzlichen Strahlen, welche die Frequenz von Kornzusammenstößen erhöhen und den Schleifvorgang zusätzlich unterstützen, sind am günstigsten über dem Einlaßbereich 116 positioniert. Am vorteilhaftesten sind derartige Strahlen in dem gut gemischten Kornsammelbereich 120 angeordnet. Das durch den zusätzlichen Einlaß 125 eingeblasene Gas ist normalerweise ein Nichtsiliziumträgergas, wie Wasserstoff, allerdings ist es möglich, daß ein zusätzliches Siliziumträgergas an dieser Stelle eingeblasen wird, was eine zusätzliche ausreichende Reaktorhöhe über der Stelle bietet, um das Siliziumträgergas vollständig zu nutzen.
Wenn Gas am oberen Ende des Betts im Bereich 120 austritt, trägt es Partikel aus dem Bett mit sich. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt es einen geringen Siliziumübertrag aus dem Reaktor, so daß innerhalb des Reaktors angeordnete Zyklonen nicht notwendig sind, die bei anderen Fluidisierbetten vorgesehen sein können. Ein externer Zyklon oder ein Auswerfkessel (nicht dargestellt, allerdings unmittelbar stromabwärts von dem dargestellten Gasauslaßrohr 124 angeordnet) kann doch wünschenswert sein, um Betterregungen ("bed upsets") oder "Aufstoßungen" zu enthalten, die insbesondere beim Hochfahren auftreten.
Es ist eine geringe Menge von feinem amorphem Siliziumpulver vorgesehen, das in dem Bett nicht aufgefangen wird und durch das Gasauslaßrohr 124 nach oben und in eine stromabwärtige Leitung gelangt. Ein zusätzlicher Einlaß 123 kann in der Leitung 124 oder am oberen Ende des Reaktorbehälters 101 für ein Ätzgas vorgesehen sein. Das Ätzgas wird verwendet, um das Abscheiden von Silizium oder Siliziumhalidpolymeren in dem stromabwärtigen System des Reaktors ohne Filter zu vermeiden. Das Ätzmittel digeriert amorphe Siliziumpartikel, die von dem Bett herkommen, und reagiert mit irgendeinem unreagierten Siliziumträgergas, um gasartige halogenisierte Spezies zu erzeugen. Der Einlaß für das Ätzgas 123 ist normalerweise über dem Freigabebereich 122 angeordnet, der durch die Transportfreigabehöhe (TDH) charakterisiert ist, so daß das Gas nicht in Kontakt mit den Partikeln kommt, die in das Bett zurückgelangen können, wodurch es unter Umständen zu Verunreinigungen von dem Ätzgas in das Bett kommen kann.
Der Einfachheit halber rezykliert bei den meisten Anlagen Gas, das den Reaktor über die obere Öffnung verläßt, zu einem anderen Teil der Anlage, wo das Siliziumträgergas erzeugt und gereinigt wird. Folglich ist es vorteilhaft, ein Ätzgas 123 am oberen Ende des Reaktors einzusetzen, das mit dem Rest des Siliziumträgergas-Erzeugungsprozesses kompatibel ist.
Der Übergang von dem konischen Bereich 118 auf den Einlaßbereich 116 ist dazu ausgelegt, eine an sich bekannte Totzone zu vermeiden. Diese Totzone tritt an der Übergangsstelle zwischen dem oberen Ende des Strahls 117 und der Blase 119 auf, die sich am oberen Ende des Strahls bildet. Ein Einlaßbereich 116, der im wesentlichen eine elliptische Form aufweist, wie in den Fig. 2, 6 und 7 dargestellt ist, stellt ein geringes Flächenbereich-zu-Volumen- Verhältnis bereit. Diese Form wird als vorteilhaft angesehen, obwohl es möglich ist, andere Formen vorzusehen, ohne die Zirkulation der Körner oder die Effektivität des Einlaßbereichs 116 kritisch zu ändern, weil dessen Form in erster Linie auf den Betrieb des Einlaßstrahls 117 basiert.
Bei dem System gemäß Fig. 2, das in Fig. 6 detailliert dargestellt ist, ist ein bevorzugtes Entfernen der Körner, die sich in der Nähe der Wand 111 befinden, über den ringförmigen Entfernungsdurchgang 133 vorgesehen. Dies wird im wesentlichen deswegen gewünscht, weil solche Körner eine weniger aktive Fläche haben und daher weniger Wasserstoff an der Fläche zum Zeitpunkt ihrer Entfernung aus dem Reaktor aufweisen. Eine ähnliche Situation besteht bei der entkoppelten Ausführung, die detailliert in Fig. 7 dargestellt ist.
Die Menge von an der Oberfläche der Körner absorbiertem Wasserstoff oder Chlor nimmt ab, wenn die Temperatur zunimmt; daher ist es wünschenswert, einen Temperaturabfall der Körner zu vermeiden, die in Kontakt mit dem Siliziumträgergas stehen. In Fig. 6 und Fig. 7 sind zwei Einrichtungen zum Vermeiden dieses Temperaturabfalls dargestellt, der sonst von dem ankommenden Siliziumträgergas 113 verursacht wird. Ein Lichtstrahl 141 wird durch ein Einlaßfenster und/oder Linse 142 entlang dem Einlaßrohr 131 nach oben und in den Reaktor geleitet, wobei der Lichtstrahl durch das Siliziumträgergas 113 dringt und die Körner erwärmt, die von dem Einlaßstrahl 117 angetrieben und von dem Einlaßstrahl 117 umgeben sind. Ein halogenhaltiger Gasstrom 143, vorzugsweise aus reinem Halogen, wie Chlor, wird in einen ringförmigen Gasraum zwischen den Rohren 132, 134 eingeblasen. Der halogenhaltige Gasstrom 143 umgibt den Siliziumträgergasstrom 113, so daß sich die Gase vermischen und an der Injektorspitze 104, 106 innerhalb des Reaktoreinlaßbereichs 116 reagieren. Die Reaktionswärme des Halogen mit den Siliziumkörnern und/oder dem Siliziumträgergas erwärmt die Körner.
Fig. 8 zeigt die Details des Kornentfernungsverfahrens und -vorrichtung, wobei Körner kontinuierlich von dem Reaktor zu einem der wenigstens zwei Behälter gefördert werden. Auf der linken Seite läuft ein Gasstrom 201 (der dem Strom 115 gemäß Fig. 6 entspricht) durch ein Rohr 220 und gelangt an das untere Ende eines Reaktorringraums (133 gemäß Fig. 6), der zwischen einem Gaseinlaßrohr 218 (131 gemäß Fig. 6) und einem Kornentfernungs- oder Auslaßrohr 219 (135 gemäß Fig. 6) definiert ist, um das restliche Siliziumträgergas zu fluidisieren und das restliche Siliziumträgergas von den Körnern in den Ringraum 133 abzustreifen. Dieses Gas kann Wasserstoff oder irgendein anderes reaktorkompatibles Nichtsiliziumträgergas sein. Das Gas gelangt durch eine Fritte 221 hindurch nach oben und in den Ringraum. Die Körner gelangen weiter entlang dem Ringraum nach unten zum Fuß des Kornentfernungsrohres 219 und anschließend schwerkraftsbedingt weiter nach unten zum ersten winklig angeordneten Übertragungsrohr 222 vorzugsweise in einem unfluidisierten Zustand. Am Fuß des Rohres 222 fallen die Körner in einen napfartigen Behälter 223, der ein kleines Körnerbett hält. Da die fallenden Körner in dem Bett landen, ist die Einrichtung vor Verschleiß geschützt und die Körner vor einer Verunreinigung.
Ein Entgasungsgas 202 für eine erste Betriebsstufe wird über ein Rohr 225 einer weiteren Fritte 224 zugeführt. Das Gas 202 durchläuft die Fritte 224 und drückt die Körner entlang dem Transferrohr 226 nach oben. Die Körner fallen schwerkraftsbedingt wieder entlang dem zweiten winklig angeordneten Transferrohr 230 zur zweiten Arbeitsstation des Entgasers nach unten. Am Fuße des Rohres 230 fallen die Körner in einen kleinen napfartigen Behälter 231, der ein kleines Körnerbett hält. Ein Entgasungsstrom 204 für eine zweite Betriebsstufe wird über ein Rohr 233 einer Fritte 231 zugeführt. Das Gas 204 durchläuft die Fritte 232 und drückt die Körner entlang dem Transferrohr 235 in eine Entgasungssäule 239 nach oben. Die Körner gelangen entlang der Entgasungssäule 239 nach unten, wo sie von irgendwelchen Restgasen befreit werden, und fallen anschließend in einen kleinen napfartigen Behälter 254, der ein kleines Körnerbett hält.
Eine Öffnung an dem unteren Ende der Entgasungssäule 239 unmittelbar über dem napfartigen Behälter 254 sind zwei Aufnahmeöffnungen vorgesehen, die Öffnungen in Durchgänge darstellen, die durch Rohre 240, 247 definiert sind. Ein inertes Gas strömt in die Säule 239 über zumindest eine der Öffnungen, um ein Gas zu entfernen, das zum Transport der Körner in die Säule 239 verwendet wurde. Abhängig von den Gasströmen werden die Körner entweder das Rohr 240 oder das Rohr 247 durchlaufen. Wenn das Gas durch das Rohr 241 strömt, d. h. der Strom 206 ist verglichen mit den Gasströmen auf der anderen Seite 210 groß genug, werden die Körner entlang dem Rohr 247 nach unten durch Ventile 249 und 251 hindurch in einen abdichtbaren Behälter 253 gelangen. Wenn im Gegensatz das Gas durch das Rohr 248 strömt, d. h. der Strom 210 ist verglichen mit den Gasströmen auf der anderen Seite 206 groß genug, werden die Körner entlang dem Rohr 240 nach unten durch ein Ventil 242 und ein Ventil 244 hindurch in einen abdichtbaren Behälter 246 gelangen.
Im Betrieb werden die Ströme 202 und 204 normalerweise gepulst, um einen breiten Bereich für eine Regelung der Flußrate von Körnern zu schaffen, die den Reaktor verlassen. Die Länge, die Frequenz und die Größe des Impulses kann geregelt werden, um die Flußrate der Körner zu bestimmen.
Bei einem vorteilhaften Betrieb sind beide Ströme 201 und 202 aus Wasserstoff, so daß nur Wasserstoff in den Reaktor gelangt. Der Vorteil darin besteht in der Zurückführung des Abströmwasserstoffes vom oberen Ende des Reaktors. Falls ein Rückfluß nicht gewünscht ist, kann dann der Strom 202 aus einem inerten Gas, wie Argon sein, das für das abschließende Verpacken verwendet wird. Der Strom 204 und die anderen Ströme 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212 und 213 können alle aus einem inerten Gas, wie Argon oder Stickstoff, sein, das für das abschließende Verpacken der Körner verwendet wird. Der Zweck dieses Gases besteht darin, restliches Wasserstoff zu entfernen und sicherzustellen, daß die Umgebung in der Kornverpackung 246 oder 253 sicher ist. Entgasungsöffnungen 229, 238 sind quer über die Gasfreigabebereiche 227, 236 vorgesehen, wo das Gas von den vorbeilaufenden Körnern getrennt wird. Fritten 228, 237 sind zwischen den Gasfreigabebereichen 227, 236 und den Entgasungsöffnungen 229, 238 vorgesehen, um einen Kornübertrag im Falle eines "Umkippens" ("upsets") zu vermeiden. Die Ströme 203 und 205 werden beide hin zu einem stromabwärtigen. Wascher oder einer stromabwärtigen Entlüftungsöffnung (nicht dargestellt) durchgelassen.
Bei einem Ventilsystem, das zum Isolieren der Transferbehälter 246, 253 eingesetzt wird, werden zwei Abführ- oder Reinigungsventile für jeden Transferbehälter verwendet. Auf der linken Seite sind die Ventile 242, 244 vorgesehen; dort ist ein Flansch zwischen diesen beiden Ventilen vorgesehen, um das Beseitigen der Transferbehälter zu erleichtern. Beide Ventile werden freigegeben, wie in Fig. 9 dargestellt ist, wobei ein Abführgasabschaltventil angedeutet ist. Ähnliche Ventile 249, 251 und ein Flansch 250 sind auf der rechten Seite vorgesehen. Keines der Ventile 242, 244, 249, 251 ist gasdicht ausgeführt; sie sind dazu ausgelegt, kontrolliert den Gasdurchlaß zuzulassen. Während des Kornsammelns, werden die Ventile geöffnet, um einen Kornfluß mit einem geringen Abführgasstrom 207, 208, 211 bzw. 212 zuzulassen, um sicherzustellen, daß Körner und Bestandteile nicht den Spalt zwischen dem Ventilschieber 305 und dem Ventilkörper 306 innerhalb des Ventils blockieren.
Die durch die Ventile 242, 244, 249, 251 gelangenden Körner werden den abdichtbaren Behältern 246, 253 über Rohre 245, 252 zugeführt. Während ein Behälter mit Körner gefüllt wird, kann es hilfreich sein, den Behälter über ein Belüftungsventil (nicht dargestellt) zu belüften. Wenn der Abfüllvorgang eines Behälters 246 oder 253 annähernd abgeschlossen ist und es Zeit für einen Transfer ist, werden die Körner von dem aufgefüllten Behälter zu einem weiteren Behälter durch Umschalten der Gasströme umgeleitet. Wenn beispielsweise ein Behälter aufgefüllt ist, wird der Gasstrom 210 größer als der Gasstrom 206 sein, wodurch die Körner in den Behälter 246 strömen. Wenn es dann für einen Behälterwechsel Zeit ist, wird der Strom 206 erhöht und der Strom 210 wird abnehmen, wodurch der Kornstrom zum Behälter 253 wechselt. Insbesondere wird die Änderung durch das Belüften des leeren Behälters 253 durchgeführt, wobei der Gasfluß in der Säule 239 über die Aufnahmeöffnung zunehmen wird, die mit dem vollen Behälter 246 verbunden ist, wobei der Gasfluß in die Säule 239 über die Aufnahmeöffnung abnehmen wird, die mit dem leeren Behälter 253 verbunden ist, und wobei die Ventile 242, 244 geschlossen werden, um den vollen Behälter 246 zu isolieren. Die Vorbereitung für den nächsten Transfer wird dann dadurch abgeschlossen, daß der volle Behälter mit einem inerten Gas mit geringem Sauerstoffgehalt gereinigt wird, wobei der volle Behälter 246 von der Öffnung durch Trennung des Flansches 243 getrennt wird, der volle Behälter 246 abgedichtet wird, ein weiterer leerer Behälter mit der Öffnung verbunden wird, von welcher der volle Behälter 246 entfernt wurde, indem der neue Behälter an dem Flansch 243 angebracht wird, und wobei das Ventil 242 und das Ventil 244 an dem frisch verbundenen Behälter geöffnet werden. Es ist auch machbar, das Gas durch den Behälter hindurch nach unten abzuziehen, wobei die zwei Wegeströme 209 und 213 verwendet werden und der Strom 213 als Belüftung anstatt als Abführung oder Reinigung effektiv genutzt wird. Dies kann durch eine geeignete Ventilanordnung realisiert sein.
Wenn es notwendig wird, die Behälter zu transferieren, wird zuerst der Kornfluß, wie oben erörtert, umgeleitet, und die restlichen Körner können nach unten in den Behälter 246 oder 253 fallen. Um den Transferbehälter 246 zu entfernen, können die Abführ- oder Reinigungsströme an den jeweiligen Ventilen 242 und 244 erhöht werden, um alle restlichen Körner herauszublasen, und die Ventile werden geschlossen, um eine Strombeschränkung für die Gasströme bereitzustellen. Noch einmal, die Ventile sind nicht dazu ausgelegt, gasdicht zu sein, allerdings sollen sie den Gasfluß einschränken, so daß eine Trennung realisiert werden kann, ohne die Ströme innerhalb des Systems zu unterbrechen, wobei noch ständig abgeführt wird, um eine Verunreinigung durch die Umgebungsluft zu vermeiden. Der Flansch 243 wird dann getrennt, wenn das Abführgas in dem Strom 207 durch ein Ventil 242 nach unten und durch den getrennten Flansch 243 herausströmt, während der Systemdruck beibehalten wird. Auf ähnliche Weise wird Gas in dem Strom 208 durch ein Ventil 244 und durch den getrennten Flansch 243 nach oben strömen. Dies wird ein positives Reinigen dieses Bereichs während des Trennungsvorgangs sicherstellen.
Der Transferbehälter wird aus seiner Stellung bewegt, und ein Deckel oder ein Abdeckflansch irgendeiner Bauart kann angeordnet werden, um die Behälterseite des Flansches 243 zum Transport abzuschließen. Dies gewährleistet dann die erforderliche gasdichte Verbindung an dem Behälter. Auf ähnliche Weise können die Abführgasverbindungen, welche die Ströme 208 und 209 bereitstellen, mit einer Ventilanordnung und einer Abdeckung versehen sein. Der aufrechte Flansch 243 kann entweder abgedeckt werden oder ein anderer Kessel kann angebracht und gereinigt werden, um zum Aufnehmen von Produktkörnern fertig zu sein.
Das Anordnen anderer Transferbehälter kann im wesentlichen auf die gleiche Weise geschehen. Obwohl das Minimum von zwei Schenkeln und zwei Behältern in Fig. 8 dargestellt ist, ist das System nicht auf zwei Schenkeln beschränkt. Es können so viele Schenkel wie gewünscht vorgesehen sein. Es kann am besten sein, einen dritten Musterschenkel oder eine Anordnung eines multiplen Systems aus vier, fünf, sechs oder einer angemessenen Schenkelzahl vorgesehen sein. Dies kann auf einfache Weise durch das Anordnen von Schenkeln realisiert werden, von denen die Schenkel 240 und 247 typische Beispiele sind.
Die dargestellten Winkel A und B können variieren. Der Winkel A soll einen Gravitationsstrom der Körner in den Schenkeln 222 und 230 sicherstellen, und der Winkel B soll es ermöglichen, daß die Körner entlang der Schenkel 226 und 235 nach oben geblasen werden können, indem die Gasimpulse 202 bzw. 204 eingesetzt werden. Der Winkel A sowie auch der Winkel B liegen am besten von 30º bis 60º, allerdings müssen beide Winkel nicht notwendigerweise in einem optimalen System gleich groß sein. Auf ähnliche Weise kann bei dem Kornumlenksystem der gezeigte Winkel C zwischen -45º und 90º liegen, wobei er allerdings zwischen -30º und 30º liegt. Dies stellt in erster Linie einen einfachen Transport sicher und vermeidet eine Erosion in dem Rohr und verhindert einen Körnerfluß in den falschen Behälter.
Fig. 9 zeigt Details eines Abführabschaltventils, das für die Ventile 242, 244, 249, 251 geeignet ist, die in Fig. 8 gezeigt sind. Die Körner gelangen durch das Rohr 301 nach unten, das kleiner als die Öffnung des Ventils ausgelegt ist. Es ist ein Freiraum am Fuß des Rohres zwischen dem Rohr und einem Ventilschieber 305 vorgesehen. Die Körner fallen dann durch den Ventilschieber 305 hindurch und in ein Auslaßrohr 309, das vorzugsweise breiter als das Einlaßrohr ist, und strömt mit dem Strom 310 durch das System hindurch und in einen Aufnahmebehälter.
Es sind einige Abführ- oder Reinigungsströme in diesem Ventil vorgesehen. Zuerst ist ein oberer Abführstrom 304 in einem Ringraum zwischen den Rohren 302 und 303 vorgesehen. Dieses Gas strömt um den Kornstrom 301 herum nach unten und bläst quer über den Spalt zwischen dem Fuß des Rohres 302 und dem Ventilschieber 305. Der Strom dient dazu, alle Körner oder Kornfragmente durch das Ventil hindurch anzutreiben, um einem Verfangen zwischen dem Ventilschieber 305 und dem Ventilkörper 306 entgegenzuwirken. Auf ähnliche Weise können Löcher in dem Außenabschnitt des Ventilschiebers 305 vorgesehen sein, so daß ein durch ein Mittelloch 307 ankommendes Gas durch den Ventilschieber 305 verteilt werden kann, und Ausgangslöcher, wie das Loch 308, können vorgesehen sein, um den Spalt zwischen dem Ventilschieber 305 und dem Ventilkörper 306 zu reinigen. Dieser Spalt ist zum Reinigen des Ventils wesentlich, um ein Verletzen des Ventilkörpers durch Körner oder Kornfragmente zu verhindern.
Löcher können auch am Innenabschnitt des Ventils vorgesehen sein, um die Körner von der Wand des Ventilschiebers 305 und des Ventilausgangsrohres 309 weg zu halten, welche Löcher dazu ausgelegt sind, eine Verunreinigung durch den Kontakt der Körner mit dem Ventil zu verringern. Der Winkel A ist so ausgeführt, daß die Körner von dem Ventilschieber 305 fern gehalten werden, ohne den Spalt zwischen dem Ventilschieber 305 und dem Ventilkörper 306 zu öffnen. Es sei angemerkt, daß ein Großteil dieses Aufbaus aus einem hochreinen Silizium enthaltenden Material, wie Silizium oder glasiges Silica (Quarz), gefertigt sein kann, und unterschiedliche Materialien können an unterschiedlichen Stellen abhängig vom Abrieb und Reinheitsanforderungen eingesetzt werden. Beispielsweise ist es bei Bereichen mit hohem Abrieb wünschenswert, ein hochreines Material, wie hochreines Quarz, synthetisches Quarz oder polykristallines Silizium, heranzuziehen, so daß die eingebrachten Verunreinigungen mit dem Produkt kompatibel sind. Die in dem System vorliegenden Freiräume erlauben die Verwendung von unähnlichem Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wobei keine Materialfreßvorgänge auftreten, wenn warme Körner behandelt werden.
Fig. 10 zeigt ein Verfahren mit einer Maschinenoptik, um eine Online-Partikelanalyse bereitzustellen, die entscheidend für einen effektiven Betrieb des Fluidbettenreaktors ist. Die Online-Partikelanalyse liefert ein unmittelbares Feedback von Messungen von Partikeln, die den Reaktor verlassen. Eine derartige Information ist entscheidend für die Steuerung des Reaktors. Körner, die einen Reaktor über das Kornentfernungsrohr 114 verlassen, gelangen zur Vorrichtung, die die Körner entlang einer nicht verunreinigenden, ebenen Fläche bewegt. Zuerst können die Körner durch ein nicht verunreinigendes Rohr 401 in ein kleines Fach 402 fallen, wo die Körner nur auf sich selbst treffen werden. Anschließend bewegen sich die Körner, mit welchen das Fach 402 überläuft, entlang eines geneigten Abschnitts 407 der nicht verunreinigenden, ebenen Fläche nach unten. Die Fläche ist ausreichend breit, so daß die Körner sich unter Bildung einer Monoschicht 403 ausbreiten, quer über den geneigten Abschnitt 407 ablaufen und als Strom 404 in das Sammelsystem austreten. Der Winkel A liegt zwischen 0º und 60º, um einen reibungslosen Fluß von Körnern in einer Monoschicht 403 über der geneigten Fläche 407 zu gewährleisten. Ein optisches Maschinensystem 406 soll durch ein Fenster 405 hindurch die Korneigenschaften detektieren. Das optische Maschinensystem 406 dient als ein Abtastmechanismus, der zählt und die Abmessungen der Körner mißt, die Partikelgrößenverteilung berechnet und, falls erforderlich, Daten signalisiert. Es existieren auch optische Maschinensysteme, bei denen die Körner in der Dichtphase gemessen werden können, d. h. im ausgefüllten Zustand eines freien vertikalen Rohres.
Ein System mit einer ähnlichen Konfiguration ist in Fig. 11 dargestellt und kann eingesetzt werden, um die Oberflächeneigenschaften der Körner zu verbessern. Bei dem System werden die Körner erwärmt, indem sie hoch-intensivem Licht ausgesetzt werden. Die Körner fallen durch ein nicht verunreinigendes Rohr 501 in ein Fach 502 und breiten sich unter Ausbildung einer Monoschicht 503 auf einer geneigten nicht verunreinigenden Fläche 507 aus und treten als Strom 504 in das Sammelsystem aus. Ein Winkel A ist zwischen 0º und 60º vorgesehen, um einen gleichmäßigen Körnerfluß in einer Monoschicht 503 über die geneigte Fläche 507 zu gewährleisten. Das Fenster 505, das über der Monoschicht 503 vorgesehen ist, kann aus einem Quarz oder irgendeinem anderen hochreinen Material gebildet sein, das durchlässig für die zu verwendende Lichtfrequenz ist. Das Licht 508 ist durch das Fenster 505 hindurch von einer geeigneten kohärenten oder nicht-kohärenten Hochintensitätslichtquelle 506 ausgerichtet, um die Oberflächeneigenschaften der Körner zu verbessern. Es ist auch möglich, zusammen mit den Körnern in dem Rohr 501 ein Gas einzubringen, das ausgewählt ist, um die Oberflächenbeweglichkeit zu verbessern oder auf andere Weise die Oberfläche der Siliziumpartikel zu vergrößern. Solche Gase können halogenisierte Materialien unterschiedlichen Typs sein. Die Wahl eines Lasers oder einer anderen Hochintensitäts-Lichtquelle 506 hängt von den gewollten Ergebnissen ab. Wenn beispielsweise es gewünscht ist, nur die Oberfläche der Körner schnell zu erwärmen, wird ein Licht mit einer relativ kurzen Wellenlänge verwendet, so daß die Durchdringung des Lichts in die Körner begrenzt ist, und die Wellenlänge, die zugeführt wird, kann ausreichend stark reduziert werden, so daß nur die Oberfläche der Körner aufgeheizt wird. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung wird das Licht bei einer geeigneten Frequenz und ausreichender Intensität abgestrahlt, um die Oberfläche der Körner zu scannen und die Oberfläche der Körner auf eine Temperatur von 800ºC bis 1500ºC bei einer Gasatmosphäre zu erwärmen, die ausgewählt ist, um die Oberflächenbeweglichkeit und eine gleichmäßige Kornmorphologie zu unterstützen.
Fig. 12 zeigt das Entfernen von sauerstoffhaltigen Komponenten, wie Sauerstoff, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, aus einem Strom 601 aus einem halogenhaltigen Gas oder Verdünngas, das in einen Reaktor zu blasen ist. Das Verdünngas kann Wasserstoff, Stickstoff, Argon oder dgl. sein. Der Strom 602 ist ein Siliziumträgergas, wie Silan, Trichlorsilan, etc. Ein Mischer 604 enthält ein Mischbauteil 603, so daß das halogenenthaltene Gas oder das Verdünngas und das Siliziumträgergas innig gemischt werden. Es ist auch möglich, eine gewisse Wärmemenge diesem Bereich mitzuteilen, falls es erforderlich ist. Das Siliziumträgergas wird mit den sauerstoffenthaltenen Komponenten reagieren, die das andere Gas kontaminiert, um Festpartikel zu bilden. Die Mischung 605 aus Gasen und Partikeln gelangt anschliessend durch einen feinmaschigen Filter 607, und das gereinigte halogenenthaltene Gas oder das Verdünngas sowie das restliche Siliziumträgergas 608 gelangt weiter in ein Reaktorsystem, beispielsweise über das Rohr 115. Der Strom 606 zeigt die Beseitigung von Festpartikeln, insbesondere Siliziumoxidmaterialien, was üblicherweise im Batch-Modus für einen Filter vollzogen wird.
Fig. 13 zeigt die Veränderung des Reaktordurchmessers und der Partikelgröße mit Bezug auf die Höhe für 1,5 mm-Partikel, die den Reaktor verlassen. Am untersten Ende des Reaktors liegt ein breiter Bereich des Reaktors vor, der annähernd Durchmesser von 26 cm aufweist, wobei die Durchschnittspartikelgröße gerade unter, 14 cm oder 1,4 mm liegt. Das den Reaktor verlassende Material ist geringfügig größer als die durchschnittliche Partikelgröße am unteren Ende des Reaktors. Der Reaktor verengt sich nach unten bis auf annähernd 13 cm, wo die Durchschnittspartikelgröße bei ungefähr 1,21 mm liegt. Der Reaktordurchmesser nimmt anschließend in zwei Stufen zu, zuerst um 16 cm und schließlich bis zu 18 cm. In diesem konischen Abschnitt findet eine Segregation der Partikel der Größe nach statt. Der Abfall der Partikelgröße mit der zunehmenden Höhe vom Einlaß aus ist dargestellt, und zwar ausgehend von 1,21 mm bis annähernd 0,9 mm. Am oberen Ende des Reaktors nach dem konischen Abschnitt bleibt der Reaktor gerade, und die Durchschnittspartikelgröße verändert sich nicht. Hieraus ergeben sich drei Bereiche des Reaktors: am Boden des Reaktors nimmt der Partikeldurchmesser wegen einer Abscheidung dramatisch zu; wo der Reaktor gut gemischt ist, in dem konischen Abschnitt nimmt die Partikelgröße den Reaktor aufsteigend ab, und am oberen Ende des Reaktors ist das Bett gut gemischt, und die Partikeldurchmesser bleiben gleich.
Fig. 14 gibt die Ergebnisse der Partikelgrößenverteilungsmessung eines Reaktors an, wobei die Verteilung der Partikelgröße an unterschiedlichen Höhen dargestellt ist. Das Schlüsselverhältnis liegt bei 10%, 50% und 90%, wie sie die Partikelgrößenverteilung und den Durchschnittspartikeldurchmesser zeigen. Folglich bei 1 Fuß über dem Boden liegt die Durchschnittspartikelgröße bei 1400 microns in einem Bereich von 935-1700 microns (10%-90%). Bei 10 Fuß Höhe, liegt die Durchschnittsgröße bei 600 microns, und der Bereich liegt bei 330-1120 microns (10%-90%). Dies zeigt die Eigenheiten des Reaktors an, bei dem größere Partikel am Boden des Reaktors austreten, und solche Partikelgrößen mit einer engen Größenverteilung. Der konische Abschnitt erzeugt eine enge Partikelgrößenverteilung und eine Zunahme der Partikelgröße hin zum unteren Ende der Konizität. Am oberen Ende des Reaktors liegt ein breiter Bereich von Partikelgrößen in einem gut durchmischten Bett vor, so daß alle Partikelgrößen simultan wachsen können. Wenn sie eine Größe erreichen, die für sie geeignet ist, den geraden Abschnitt zu verlassen, schreiten sie entlang dem konischen Abschnitt nach unten fort und treten schließlich aus dem Reaktor heraus.

Beispiel

Das folgende Beispiel beschreibt die Verwendung des Reaktors gemäß den Fig. 2 bis 7, um reines Silizium zu ernten. Ein Reaktor 101 wurde aus Quarzrohren gebaut. Der Reaktor umfaßte einen Einlaß, einen konischen Bereich, einen Sammelbereich und einen Freigabebereich mit folgenden Abmessungen: der Einlaßbereich 116 war annähernd elliptisch mit einem Durchmesser von 25 cm und einer Länge von 40 cm. Ein erster Abschnitt des konischen Bereichs 118 begann mit einem Durchmesser von 17 cm und endete mit einem Durchmesser von 23 cm und war 50 cm lang. Ein zweiter Abschnitt des konischen Bereichs begann mit einem Durchmesser von 23 cm und endete mit einem Durchmesser von 25 cm und war 80 cm lang. Ein Sammelbereich mit einem Durchmesser von 25 cm erstreckte sich 350 cm von dem oberen Ende des konischen Bereichs zum unteren Ende des Betts. Der Freigabebereich mit einem Durchmesser von 25 cm erstreckte sich zusätzlich um 260 cm von dem oberen Ende des Sammelbereichs zum oberen Ende des Reaktors. Ein 30 cm langes Auslaßrohr 124 war am oberen Ende des Reaktors mit einem 25 mm Innendurchmesser (ID) vorgesehen. Ein Gaseinlaßrohr 135 am Boden des Reaktors war 30 cm lang. Innerhalb des Rohrs 135 war ein Einsatz 131 angeordnet und an dem Boden des Hauptreaktors angeflanscht. Der Einsatz 131 wurde aus Quarz gefertigt und hatte folgende Abmessungen: 50 mm ID am unteren Ende, 12 mm ID am oberen Ende und eine Wanddicke von 2,5 mm. Am unteren Ende des Einsatzes 131 war ein Anschluß mit einem 7 mm ID Zulieferrohr für Einlaßgas 113 vorgesehen. Ein Ausgang 107 für die Partikel hatte einen 12 mm ID. Die Gesamthöhe des ganzen Reaktors lag bei 840 cm.
Zu Beginn des Betriebs wurde Silizium durch die obere Öffnung 144 von einem Siliziumkornbehälter (nicht dargestellt) eingebracht, der mit der oberen Öffnung 144 als zwischenzeitliche Maßnahme verbunden worden ist. Bei zeitlich begrenzter Verwendung dieses zusätzlichen Kornbehälters konnten dem Reaktor Körner zugeführt werden. Einige Körnerladungen waren notwendig. Die Anfangsladung war für den unteren Einlaßbereich 116 vorgesehen, wo eine Durchschnittspartikelgröße von ungefähr 1,4 mm gewünscht wurde. Die zweite Ladung war für den anfänglichen konischen Bereich vorgesehen, wobei Partikel mit einem Durchschnittsdurchmesser von 1,25 mm und für den zweiten konischen Bereich Partikel mit einem Durchschnittsdurchmesser von 1,14 mm zugeführt wurden. Der obere Abschnitt hatte Partikel mit einem Durchschnittsdurchmesser von 0,97 mm. Der spezifische Widerstand der Siliziumkeimpartikel wurde bestimmt, größer als 200 ohm-cm zu sein, und das Fluidisier- und Quellengas bestand aus 100%-Silan außer beim Hochfahren, bei dem inerte Gase und Wasserstoff für die anfänglichen Hochfahrgase verwendet wurden. Der Reaktor wurde mit inerten Gasen gereinigt, und eine anfängliche Ladung von Siliziumpartikeln wurde eingeführt, wie oben angemerkt, um den Einlaßbereich 116 aufzufüllen. Die darauffolgenden Ladungen wurden zugeführt, bis der Reaktor voll mit Körnern war. Zur gleichzeitigen Zuführung von Körnern wurde der Aufwärmvorgang durchgeführt, indem die Wandheizer und der Vorheizer eingesetzt wurden, um das Einlaßgas 113 aufzuwärmen, um eine bessere Fluidisierqualität zu gewährleisten, als die zusätzlichen Körner zugeführt wurden.
Der Wasserstoffstrom wurde mit 200 Standardlitern pro Minute (SLM) initiiert, indem der Durchgang 130 durch den Injektor 131 und der Kornentfernungsringraum 133, der den Durchgang 130 umgibt, verwendet wurde. Dem Reaktor wurden anfänglich 10 kW zugeführt, und die Energie wurde auf 30 kW erhöht, als die Betthöhe auf 580 cm über dem Einlaß durch das Zuführen von Bettpartikeln zugenommen hatte. Die Flußrate von Wasserstoff wurde reduziert, als die gewünschte Betriebstemperatur von 850º erreicht wurde, und die Energie wurde gesenkt und festgelegt, um das Temperaturprofil über einzelne Bereiche zu regeln.
Anschließend wurde die Hochintensitätslichtsquelle angeschaltet, und das Licht strahlte entlang dem Gasinjektor nach oben in den Strahlbereich, und der Wandtemperatursollwert wurde für den Einlaßbereich 116 gesenkt. Als nächstes wurden 2 SLM Chlor durch das Rohr 143 eingeführt, und eine Kühlwasserzirkulation wurde durch die Rohre 136 und 137 zum und vom Bettkühler 138 etabliert. Silan, nämlich das Siliziumträgergas, wurde in das untere Ende des Reaktors eingebracht, und das Kornentfernen wurde initiiert, indem der Wasserstofffluß in dem Ringraum 133 reduziert wurde. Sowohl Silan als auch Wasserstoff gelangten in die Basis des Einlaßbereichs 116 bei ungefähr 350ºC, nachdem es von einem separaten Silanvorheizer (nicht dargestellt) erwärmt worden ist.
Die Flußrate wurde zum Erhalt der Fluidisierung eingestellt, indem die Wasserstoffmenge progressiv reduziert wurde, während der Silangehalt anstieg. Nach ungefähr einer Stunde wurde der Reaktor bei 100% Silan betrieben, wobei die Zuführrate bei ungefähr 210 SLM- Silan lag. Es gab einen kleinen Wasserstoffabführstrom 115 von 2 SLM in dem Ringraum 133, um das Kornfluidisiergas zu entfernen. Am oberen Ende des Reaktors wurde ein Übertrag von feinen amorphen Partikeln im wesentlichen durch das Einblasen von 8 SLM Chlorgas bei einer Umgebungstemperatur durch den Einlaß 123 hindurch eliminiert. Das Produkt wurde aus dem Reaktor bei annähernd 30 kg/h entfernt und besaß einen Durchschnittsdurchmesser von 1,5 mm (1500 microns). Bei einem typischen Ablauf wurden 320 kg Silizium für das Starterbett zugeladen. Die Produktrate war bei 30 kg/h, und eine typische Durchlaufzeit lag bei zwei Wochen. Beim Laden des Betts wurde eine gewisse Verunreinigung eingebracht, allerdings im wesentlichen nach einer Betterneuerung wies das geerntete Material eine Qualität auf, die für die Produktion von Halbleitereinrichtungen nutzbar war.
Der durchschnittliche Energieverbrauch lag bei 11 kW in dem Reaktor mit einiger Zusatzverfahrenswärme, die von einem Silanvorheizer zur Verfügung gestellt wurde, bevor der Reaktor bei annähernd 2 kW/h bei einem Energieverbrauch von 0,5 kW/kg lief. Ein derartiger Energieverbrauch ist erheblich geringer als die 40 kWh/kg, die für andere mikrowellenerwärmte Quarzfluidbetten notwendig sind, bei denen ein aktives Kühlen des Verteilernetzes und der Wände praktiziert wird. Die Energieeffizienz der Energiezulieferer variierte von 2% für das direkte Licht bis 50% für die Wandheizer und für den Silanvorheizer. Direktes Licht steuerte 3 kW Prozeßwärme bei, und die Chlorreaktion steuerte 2 kW Prozeßwärme bei. Die Mikrowellenheizer steuerten 1 kW Prozeßwärme und 1 kW Wärmeverlust in den Einlaßbereich 116 bei. Wandheizer steuerten 4 kW Wärmeverlustausgleich in den oberen Bereichen bei. Der elektrische Eintrag lag somit bei 150 kW für das direkte Licht, 4 kW für die Mikrowellen, 8 kW für die Wandheizer und 4 kW für den Silanvorheizer bei einem Gesamteintrag von 166 kW oder 5,5 kW/kg.
In Anbetracht des oben Ausgeführten, soll klar sein, daß die Erfindung alle derartigen Modifikationen umfassen soll, die innerhalb des Umfangs der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Reaktorsystem zum Abscheiden von erwärmtem Silizium mit:

mehreren Siliziumkörnern (102);

einem Behälter (101) mit einer Wand (111), die eine Kammer (103), in der die Körner (102) enthalten sind, und einen Fluidisiereinlaß (104) definiert, der zum Einblasen von Gas (113) geeignet ist, um einen einzelnen, nach oben gerichteten Fluidisierstrahl (117) in der Kammer bereitzustellen, damit die Körner (102) fluidisiert werden, wobei die Kammer (103) zumindest zwei Bereiche einschließlich (a) eines Einlaßbereiches (116) und (b) eines oberen Bereiches (118, 120) aufweist, der mit dem Einlaßbereich (116) in Verbindung steht und oberhalb des Einlaßbereiches (116) angeordnet ist, um von dem Einlaßbereich (116) nach oben gelangendes Gas aufzunehmen; wobei im Betrieb des Reaktors ein einzelner, nach oben gerichteter Fluidisierstrahl (117) in dem Einlaßbereich vorgesehen ist, wobei der Strahl aus dem Gas (113) beteht, das über den Fluidisiereinlaß (104) eingeblasen wird;

einem eingetauchten Sprudelbett in dem Einlaßbereich, das einen Teil der Körner enthält, dessen Körner durch den Strahl (117) ausgebreitet und schwebend gehalten werden, wobei der Strahl (117) eine verdünnte Phase bildet, in der die Körner angetrieben und schnell nach oben gelenkt werden, wobei sie jedoch die Fläche einer den Strahl (117) umgebenden dichten Phase aufgrund der Tiefe des Bettes der Körner nicht verlassen;

einem Blasen-Fluidisierbett in dem oberen Bereich (118, 120), das einen anderen Teil der Körner enthält; und

einer Gasquelle (113), die das Gas mit einer Geschwindigkeit einblasen kann, die zur Bildung des Strahls (117) und zum Halten der Körner im Einlaßbereich (116) in dem eingetauchten Sprudelbett ausreicht.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der Behälter (101) und der Fluidisiereinlaß (104) bemessen und geformt sind, um eine Gasgeschwindigkeit zu erzeugen, so daß in zumindest einem Abschnitt der Kammer (103) Partikel an der Position mit maximalem Widerstand bezüglich des Gasstromes inhärent ausgerichtet sind, welche Position durch den Reynoldszahl-Bereich der Partikel von 5,5 bis 200 angegeben ist, um die sphärische Gestalt der Produktpartikel zu verbessern.

3. System nach Anspruch 1, bei dem die Wand (111) einen zusätzlichen Einlaß (125) definiert, der zum Einblasen von Gas ausgelegt ist, um zusätzlich die Körner (102) zu schleifen und dadurch Körner (102) reduzierter Größe zu bilden, die als Keimkörner (102) dienen, auf welche Silizium abgeschieden wird.

4. System nach Anspruch 1, bei dem die Kammer (103) dazu ausgelegt ist, die Körner (102) bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC ausreichend lang zu halten, um den Wasserstoffgehalt der Körner (102) zu verringern und einen polykristallinen Aufbau bei allen Körner (102) zu unterstützen.

5. System nach Anspruch 1, bei dem eine Quelle halogenhaltigen Gases mit der Kammer (103) in Verbindung stehend vorgesehen ist, so daß das halogenhaltige Gas in die Kammer (103) eingebracht werden kann, um mit einem Gas exotherm zu reagieren, das über den Einlaß in die Kammer (103) gelangt, um ausreichend Energie zum Erwärmen der Körner (102) in der Kammer (103) bereitzustellen.

6. System nach Anspruch 1, bei dem

eine Quelle eines Siliziumträgergases zum Fluidisieren der Körner (102) vorgesehen ist, welches Gas aus der Gruppe, bestehend aus Silanverbindungen, halogenhaltigen Silanverbindungen und einer Mischung aus diesen, ausgewählt ist,

die Wand (111) mit einer Innenfläche versehen ist, die zumindest teilweise von einer Schicht aus hochreines Silizium enthaltenem Material bedeckt ist,

wobei die Wand (111) einen Auslaß (107) zum Entfernen der Körner (102) aus der Kammer (103), einen Einlaß (104) zum Einblasen eines halogenhaltigen Gases in die Kammer (103) definiert, um mit einem Siliziumpulver und mit einem nicht reagierten Siliziumträgergas in der Kammer (103) zu reagieren sowie das Siliziumpulver und das nicht reagierte Siliziumträgergas in Halogenspezies umzuwandeln und die Abscheidung von Silizium oder eines Silizium-Halid-Polymers auf stromabwärts von dem Reaktorbehälter (101) liegenden Oberflächen zu vermeiden, und einen Einlaß definiert, der gleich oder unterschiedlich wie zumindest einer der anderen Einlässe sein kann, um ein siliziumfreies Träger-Verdünnungsgas einzublasen,

wobei die Kammer (103) zumindest drei Bereiche aufweist, (a) einen Einlaßbereich (116), der den Fluidisiereinlaß (104) enthält und zum Halten der Körner (102) in einem eingetauchten Sprudelbett ausgelegt ist, wenn Gas durch den Einlaß (104) hindurch eingeblasen wird, (b) einen konischen Bereich (118), der mit dem Einlaßbereich (116) in Verbindung steht und oberhalb des Einlaßbereichs (116) angeordnet ist, um sich von dem Einlaßbereich (116) nach oben bewegendes Gas aufzunehmen, und bemessen und geformt ist, um die Körner (102) in einem Blasen-Fluidisierbett zu halten, wobei zumindest ein Abschnitt des konischen Bereichs (118) konisch ausgebildet ist, so daß die Geschwindigkeit des Gases abnimmt, wenn sich das Gas durch den konischen Bereich (118) hindurch nach oben bewegt und die Körner (102) der Größe nach klassifiziert werden, wobei die größten Körner (102) zum Boden des Behälters (101) gelangen, wobei die Körner (102) in dem konischen Bereich (118) in einem Abstand voneinander liegen und eine Temperatur aufweisen, so daß das Bett der Körner (102) in dem konischen Bereich (118) als eine körnige Filtereinrichtung dient, um Siliziumpulver abzuscheiden, das in den konischen Bereich (118) gelangen kann, und (c) einen Aufnahmebereich (120), der mit dem konischen Bereich (118) in Verbindung steht und über dem konischen Bereich (118) angeordnet ist, welcher Aufnahmebereich (120) im wesentlichen zylindrisch ist und eine ausreichende Länge sowie einen ausreichenden Querschnittsbereich aufweist, so daß die Körner (102) in dem Aufnahmebereich (120) in einem gut gemischten Blasen-Fluidisierbett 1 bis 24 Stunden lang gehalten werden, wobei die Körner (102) in dem Aufnahmebereich (120) in einem Abstand voneinander liegen und eine Temperatur aufweisen, so daß das Bett der Körner (102) in dem Aufnahmebereich (120) als körnige Filtereinrichtung dient, um Siliziumpulver abzuscheiden, das in den Aufnahmebereich (120) gelangen kann,

wobei der Fluidisiereinlaß (104) bemessen und positioniert ist, ein Siliziumträgergas als Fluidisierstrahl (117) mit ausreichender Geschwindigkeit in den Einlaßbereich (116) zu fördern, um die Körner (102) in dem Behälter (101) zu zirkulieren und die Körner (102) aneinander stoßen zu lassen, so daß die Körner (102) in dem Einlaßbereich (116) abgeschliffen werden und Körner (102) mit reduzierter Größe gebildet werden, um als Keime für eine zusätzliche Siliziumabscheidung zu dienen, und wobei die Behälterwand (111) und der Fluidisierstrahl (117) bemessen und geformt sind, (a) einen Bruchteil jeglicher feiner, in dem Einlaßbereich (116) gebildeter Siliziumpartikel in den Fluidisierstrahl (117) zirkulieren zu lassen, so daß die Durchschnittsgröße der feinen Partikel durch heterogene Siliziumabscheidung zunimmt und eine homogene Keimbildung unterdrückt wird, und (b) zumindest einen Teil der Siliziumabscheidung unter Bedingungen durchzuführen, die derart gewählt sind, daß die Partikel an der Position mit maximalem Widerstand relativ zum Gasfluß am Boden des Reaktors inhärent ausgerichtet werden, welche Position durch einen Reynoldszahl- Bereich der Partikel von 5,5 bis 200 angegeben wird, um die sphärische Gestalt der Produktpartikel zu verbessern,

wobei eine Wärmequelle (128) die Körner (102) in dem Einlaß konisch und die Aufnahmebereiche bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC hält, um den Wasserstoffgehalt der Körner (102) zu verringern und einen polykristallinen Aufbau in den Körnern (102) zu unterstützen;

wobei ein Gaszulieferrohr (131) einen Gaseinlaßdurchgang (130) definiert, der mit dem Fluidisiereinlaß (104) in Verbindung steht;

wobei zumindest ein Auslaßrohr (135) das Gaszulieferrohr konzentrisch umgibt, so daß ein Auslaßdurchgang (133) zwischen den Rohren definiert wird, wobei der Auslaßdurchgang mit der Kammer (103) in Verbindung steht, um Siliziumkörner (102) aufzunehmen, welche die Kammer (103) verlassen, wobei der Einlaßdurchgang (130) und der Auslaßdurchgang thermisch gekoppelt sind, so daß Wärme von den die Kammer (103) verlassenden Körnern (102) auf das Gas in dem Einlaßdurchgang (130) übergehen kann, wobei die übertragene Wärmemenge ausreichend klein ist, so daß die Temperatur in dem Einlaßrohr (131) unter der Temperatur bleibt, bei der im wesentlichen Silizium abgeschieden wird;

wobei zumindest ein zusätzlicher Einlaß (125) an einem Ort über dem Fluidisiereinlaß (104) vorgesehen ist, um einen zusätzlichen Gasstrahl (105) zu erzeugen, der zum Erhöhen der Frequenz von Körnerzusammenstößen und für einen zusätzlichen Abschliff der Körner positioniert ist;

wobei eine Abdeckung (127) den Behälter (101) umgibt, um einen ringförmigen Raum zwischen der Abdeckung (127) und dem Behälter (101) zu definieren, wobei der Raum mit der Kammer (103) des Behälters (1) thermisch gekoppelt ist, so daß Wärme der Kammer (103) durch Wärmeübertrag auf das Gas in dem Raum entzogen wird; und

wobei ein Gaszirkuliersystem (nicht dargestellt) für einen Gasstrom durch den Raum hindurch ausgelegt ist, wodurch jegliche externe Verunreinigung, die in den Behälter (101) fließt, und jegliches Gas umgeleitet und aufgefangen werden, das aus dem Behälter (101) austritt.

7. System nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Abschnitt der Wand (111) konisch ist, so daß die Geschwindigkeit des Gases abnimmt, wenn sich das Gas durch den Behälter (101) hindurch nach oben bewegt und die Körner (102) durch Dichtphasensegregation klassifiziert werden, wobei die größten Körner (102) zum Boden des Behälters (101) gelangen.

8. System nach Anspruch 1, bei dem die Wand (111) des Behälters (101) und der Fluidisiereinlaß (104) bemessen und positioniert sind, um das Siliziumträgergas als Fluidisierstrahl (117) zu liefern, damit die Körner (102) in dem Behälter (101) zirkulieren, und der Behälter (101) derart ausgelegt ist, daß die Körner (102) innerhalb des Behälters (101) abgeschliffen werden und Körner (102) reduzierter Größe geformt werden, um als Keime für eine zusätzliche Siliziumabscheidung zu dienen.

9. System nach Anspruch 1, bei dem ein Gaszulieferrohr (131) vorgesehen ist, das einen Gaseinlaßdurchgang (130) definiert, der mit dem Fluidisiereinlaß (104) in Verbindung steht; und eine Strahlungsenergiequelle vorgesehen ist, die ausgerichtet ist, um Strahlungsenergie (141) in die Kammer (103) über das Gaszulieferrohr (131) einzuleiten.

10. Verfahren zum Abscheiden von Silizium auf Körner, die in einem Behälter liegen, wobei:

ein Behälter (101) vorgesehen wird, der eine Wand (111) aufweist, die eine Kammer (103) definiert, die zumindest zwei Bereiche einschließlich (a) eines Einlaßbereiches (116) und (b) eines oberen Bereiches (118, 120) aufweist, der mit dem Einlaßbereich (116) in Verbindung steht und oberhalb des Einlaßbereiches (116) angeordnet ist, um sich von dem Einlaßbereich (116) nach oben bewegendes Gas zu empfangen, wobei dieser Behälter (101) einen Fluidisiereinlaß (104) zum Liefern eines Gases in den Einlaßbereich (116) aufweist;

ein Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) hindurch eingeblasen wird, um einen einzelnen, nach oben gerichteten Fluidisierstrahl (117) in der Kammer bereitzustellen, damit ein Teil der Körner (102) in dem Einlaßbereich (116) in einem eingetauchten Sprudelbett gehalten wird, wobei die Körner des eingetauchten Sprudelbetts ausgebreitet und durch den Strahl (117) in Schwebe gehalten werden, wobei der Strahl (117) eine verdünnte Phase bildet, in welcher die Körner angetrieben und senkrecht nach oben gelenkt werden, jedoch die Oberfläche einer den Strahl (117) umgebenden Dichtphase aufgrund der Tiefe des Bettes der Körner nicht verlassen; und

ein weiterer Teil der Körner (102) in dem oberen Bereich (118, 120) in einem Blasen- Fluidisierbett gehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Wand (111) auch einen Fluidisiereinlaß (104) zum Fördern eines Gases in die Kammer (103) definiert; und ein Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) hindurch eingeblasen wird, um sowohl (a) einen Fluidisierstrahl (117) bereitzustellen, damit die Körner (102) in der Kammer (103) in einem Fluidiserbett gehalten werden, als auch (b) die Körner (102) in der Kammer (103) derart zirkulieren zu lassen, daß die Körner in der Kammer (103) abgeschliffen werden und abgeschliffene Körner (102) ausreichend kleiner Größe gebildet werden, um als Keimkörner (102) für eine zusätzliche Siliziumabscheidung zu dienen.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Wand (111) auch einen Fluidisiereinlaß (104) zum Fördern eines Gases in die Kammer (103) definiert; und

ein Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) hindurch unter solchen Bedingungen eingeblasen wird, daß die Körner (102) in der Kammer (103) in einem Fluidisierbett gehalten werden und in zumindest einem Abschnitt der Kammer (103) Partikel an der Position mit maximalem Widerstand relativ zum Gasstrom inhärent ausgerichtet werden, welche Position durch den Reynoldszahl-Bereich der Partikel von 5,5 bis 200 angegeben wird, um die sphärische Form der Produktpartikel zu verbessern.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Wand (111) auch einen Fluidisiereinlaß (104) zum Fördern eines Gases in die Kammer (103) definiert; und ein Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) hindurch unter solchen Bedingungen eingeblasen wird, daß die Körner (102) in der Kammer (103) in einem Fluidisierbett gehalten werden und zumindest ein Abschnitt des Bettes in einem Bereich gehalten wird, der ein negatives Geschwindigkeitsprofil aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem abgeschiedenes Silizium von der Wand (111) durch Ätzen bei einer oder in der Nähe einer Betriebstemperatur mit Hilfe eines halogenhaltigen, gasförmigen Ätzmittels zumindest teilweise entfernt wird, bevor die Wand (111) des Behälters (101) um mehr als 100ºC abgekühlt werden kann.

15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Körner (102) in der Kammer (103) bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC ausreichend lang gehalten werden, um den Wasserstoffgehalt der Körner (102) zu reduzieren und den polykrystallinen Aufbau in den Körner (102) zu unterstützen.

16. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Behälter (101) ein Gaszulieferrohr (131) aufweist, das einen Gaseinlaßdurchgang (130) definiert, der mit dem Fluidisiereinlaß (104) in Verbindung steht;

ein Material innerhalb der Kammer (103) erwärmt wird, indem Strahlungsenergie (141) von einer Strahlungsenergiequelle über das Gaszulieferrohr (131) hin zu einer Stelle innerhalb der Kammer (103) geleitet wird; und

die Wellenlängenverteilung der Strahlungsenergie (141) beibehalten wird, so daß die von dem Siliziumträgergas absorbierte Energie innerhalb der Kammer (103) nicht dazu ausreicht, eine Zersetzung dieses Gases zu veranlassen, und jegliche Restenergie von den Siliziumkörner (102) absorbiert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Wand (111) einen Fluidisiereinlaß (104) zum Fördern eines Gases in den Einlaßbereich (116) definiert; und ein halogenhaltiges Gas in den Einlaßbereich (116) eingeblasen wird, um einen Teilbereich des Einlaßbereichs (116) mittels Energie zu erwärmen, die von einer exothermen Reaktion des halogenhaltigen Gases mit einem Bruchteil von Silizium enthaltenden Stoffen in dem Einlaßbereich (116) freigesetzt wird, wobei die Menge der durch die Reaktion erzeugten Energie ausreichend ist, um die Körner (102) in dem Einlaßbereich (116) zu erwärmen.

18. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Behälter (101) einen Auslaß (107) aufweist, der mit einem Körnerentnahmedurchgang in Verbindung steht, der durch die Innenfläche eines Körnerentnahmerohres definiert ist;

eine Siliziumschicht an zumindest einem Abschnitt der Innenfläche der Wand (111) des Behälters (101) vorgesehen wird;

mehrere Siliziumkörner (102) innerhalb der Kammer (103) vorgesehen werden;

ein Siliziumträgergas und ein Verdünnungsgas vorgesehen werden;

das Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) eingeblasen wird, um einen Fluidisierstrahl (117) mit ausreichender Geschwindigkeit bereitzustellen, damit die Körner (102) in dem Einlaßbereich (116) in einem eingetauchten Sprudelbett gehalten werden sowie die Körner (102) in dem Behälter (101) zirkulieren und aneinander stoßen, so daß die Körner (102) abgeschliffen werden, um abgeschliffene Körner (102) ausreichend kleiner Größe zu bilden, so daß die abgeschliffenen Körner (102) als Keimkörner (102) für eine zusätzliche Siliziumabscheidung dienen;

das Verdünnungsgas in den Behälter (101) eingeblasen wird;

vor dem Einblasen des Verdünnungsgases jegliche Sauerstoff enthaltende Verunreinigungen aus dem Verdünnungsgas entfernt werden, indem (a) ein Siliziumträgergas mit den Verunreinigungen reagiert, die eine Bildung von Feststoffpartikeln begünstigen und eine Abscheidung von dünnen Verunreinigungsschichten auf die Körner (102) oder den Behälter (101) beeinträchtigen, und (b) die sich daraus ergebenden Feststoffpartikel aus dem Verdünnungsgas an einer Stelle außerhalb des Behälters (101) gefiltert werden;

die Schleifstärke durch Einstellen zumindest eines Parameters kontrolliert wird, der aus der Gruppe, bestehend aus Einlaßöffnungsdurchmesser, Fluidzusammensetzung, Massenfluß, Druck und Temperatur, ausgewählt wird, um die kinetische Energie des Stroms (117) zu verändern;

die Körner (102) innerhalb des Behälters (103) bei einer Betriebstemperatur von zumindest 500ºC gehalten werden, die ausreicht, um Silizium aus dem Siliziumträgergas auf die Körner (102) und auf die Wand (111) des Behälters (101) abzuscheiden;

ein zusätzlicher Gasstrahl (105) in dem Behälter (101) an einer Stelle über dem Fluidisiereinlaß (104) erzeugt wird, wobei der zusätzliche Strahl (105) bemessen und positioniert ist, um die Frequenz von Körnerzusammenstößen zu erhöhen und die Körner zusätzlich abzuschleifen;

ein Bruchteil aller feinen Siliziumpartikel, die in dem Behälter (101) erzeugt werden, in den Fluidisierstrahl (117) zirkuliert wird, so daß die Durchschnittsgröße der feinen Partikel aufgrund einer heterogenen Siliziumabscheidung erhöht und eine homogene Keimbildung unterdrückt wird;

die Größe, Form und Geschwindigkeit des Fluidisierstrahls (117) beibehalten werden, so daß die Partikel inhärent in der Position mit maximalem Widerstand relativ zum Gasstrom am Boden des Reaktors ausgerichtet werden, welche Positionen durch eine Reynoldszahl der Partikel von 5,5 bis 200 angegeben ist, um die sphärische Gestalt der Produktpartikel zu verbessern, wobei die Reynoldszahl der Partikel durch zumindest eine Maßnahme gleich bleibt, die aus der Gruppe von Maßnahmen gewählt ist, bestehend aus (a) Klassifizieren der Partikel innerhalb des Behälters (101), so daß sich die größten Körner (102) hin zum Boden des Behälters (101) bewegen, (b) Antreibender Partikeln in dem Fluidisierstrahl (117), (c) Beibehalten der Einlaß- und Auslaß- Fließgeschwindigkeit und der Stromgeschwindigkeit, die zur Unterstützung der Bildung eines Partikelbetts ausreichender Höhe genügt, um einen hohen Reaktorgegendruck in dem Einlaßbereich (116) aufrechtzuhalten, (d) Regulierung der Ausflußsteuergeschwindigkeit, um ein hohen Reaktorgegendruck in dem Einlaßbereich (116) aufrechtzuhalten, (e) Regulieren der Geschwindigkeit von in den Behälter (101) gelangenden Fluiden und (f) Vorsehen eines Behälters (101) mit einem Wandprofil, das einen Betrieb bei einer Reynoldszahl der Partikel von 5,5 bis 200 am Boden des Behälters (101) zuläßt;

die Körner (102) in dem oberen Bereich (118, 120) in einem Blasen-Fluidisierbett und in einem Abstand voneinander und bei einer Temperatur gehalten werden, so daß das Bett als körnige Filtereinrichtung dient, um in das Bett gelangendes Siliziumpulver abzuscheiden;

halogenhaltiges Gas in den Behälter (101) eingeblasen wird, um jegliches Siliziumpulver und jegliches nicht reagiertes Siliziumträgergas in Halogenspezies bei Temperaturen und Drücken umzuwandeln, die zum Verhindern der Abscheidung von Silizium oder Silizium-Halid-Polymeren in den stromabwärts liegenden Systemen des Reaktors genügen;

vor dem Einblasen des halogenhaltigen Gases jegliche Sauerstoff enthaltende Verunreinigungen aus dem halogenhaltigen Gas entfernt werden, indem (a) ein Siliziumträgergas mit den Verunreinigungen unter Bedingungen reagiert, die eine Bildung von Feststoffpartikeln begünstigt und eine Abscheidung von dünnen Verunreinigungsschichten auf die Körner (102) oder den Behälter (101) beeinträchtigen, und (b) die sich daraus ergebenden Feststoffpartikel aus dem halogenhaltigen Gas an einer Stelle außerhalb des Behälters (101) gefiltert werden;

die Körner (102) in dem Einlaßbereich (116) bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC während der Abscheidung von Silizium auf die Körner (102) gehalten werden, um den Wasserstoffgehalt der Körner (102) zu verringern und den polykristallinen Aufbau in den Körnern (102) zu unterstützen;

die Körner (102) in dem oberen Bereich (118, 120) bei einer Temperatur von 700ºC bis 1200ºC 1 bis 24 Stunden lang gehalten werden, um den Wasserstoffgehalt der Körner (102) zu verringern und den polykristallinen Aufbau in den Körnern (102) zu unterstützen;

die Körner (102) aus dem Behälter (101) durch den Körnerentnahmedurchgang hindurch entfernt werden, auf welche Körner abgeschieden worden ist; und

eine Siliziumschicht auf der Innenfläche des Körnerentnahmerohrs vorgesehen ist.

19. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Gleitschicht an zumindest einem Abschnitt der Innenfläche der Wand (111) vorgesehen ist, um eine Haftung von Siliziumabscheidungen an der Wand (111) zu verhindern, wobei die Gleitschicht ein Pulver ist, das einen Kelvin-Schmelzpunkt aufweist, der höher als die zweifache Temperatur, nämlich in Kelvin, der Siliziumschicht während des Betriebs des Reaktorsystems ist;

eine Siliziumschicht auf der Gleitschicht vorgesehen ist;

ein Siliziumträgergas in die Kammer (103) eingeblasen wird; und

zumindest ein gewisser Anteil des Inhalts der Kammer (103) erwärmt wird, um die Abscheidung von Silizium auf ein Substrat innerhalb der Kammer (103) zu unterstützen.

20. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein zusätzlicher Einlaß (125) zum Fördern eines Gases in die Kammer (103) vorgesehen ist;

ein Siliziumträgergas durch den Fluidisiereinlaß (104) hindurch eingeblasen wird, um einen Fluidisierstrahl (117) zu bilden, damit die Körner (102) in der Kammer (103) in einem Fluidisierbett gehalten werden, um die Körner (102) in der Kammer (103) zirkulieren zu lassen; und

ein Gas durch den zusätzlichen Einlaß (125) hindurch derartig eingeblasen wird, daß die Körner (102) in der Kammer (103) abgeschliffen werden und abgeschliffene Körner (102) ausreichend kleiner Größe gebildet werden, um als Keimkörner (102) zu dienen, auf welche Silizium abgeschieden wird.