JP2012076078A - 流動層反応器 - Google Patents

Abstract

【課題】 多結晶シリコンの大量生産が可能であり、組み立て、設置及びメンテナンスが容易で、また、第１ボディ部と第２ボディ部とが互いに分離及び組み立て可能な流動層反応器を提供する。
【解決手段】 ヘッドと、前記ヘッドの下に位置して前記ヘッドと連結され、前記ヘッドの直径より小さな直径を有する第１反応管がその内部に位置する第１ボディ部と、前記第１ボディ部の下に位置して前記第１ボディ部と連結され、前記第１反応管の直径と実質的に同一の直径を有する第２反応管がその内部に位置する第２ボディ部と、前記第２ボディ部と連結された底面部と、を含む。
【選択図】 図１ａ

Description

本発明は、流動層反応器に関する。

高純度多結晶シリコンは、半導体素子または太陽電池に用いられることのできる素材として広く使われている。このような多結晶シリコンを製造するためにシリコンを含む反応ガスの熱分解及び水素還元反応でシリコンを析出させるシリコン析出方法が利用されている。

多結晶シリコンの大量生産のためには、実験室で用いられる流動層反応器に比べて大きさと高さとが大きい流動層反応器が必要である。したがって、多結晶シリコンが量産できる流動層反応器は、重量が非常に重く体積も大きいため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。

これによって、組み立て、設置及びメンテナンスが容易であり、かつ多結晶シリコンの大量生産が可能である流動層反応器に関する研究が活発に行われている。

本発明は、多結晶シリコンの大量生産が可能であり、組み立て、設置及びメンテナンスが容易な流動層反応器を提供することを目的とする。

本発明の一側面による流動層反応器は、ヘッドと、前記ヘッドの下に位置して前記ヘッドと連結され、前記ヘッドの直径より小さな直径を有する第１反応管がその内部に位置する第１ボディ部と、前記第１ボディ部の下に位置して前記第１ボディ部と連結され、前記第１反応管の直径と実質的に同一の直径を有する第２反応管がその内部に位置する第２ボディ部と、前記第２ボディ部と連結された底面部と、を含み、前記第１ボディ部と前記第２ボディ部とは、互いに分離及び組み立て可能である。

底面部は、順次に積層された基底プレートと、第１プレートと、第２プレートと、第３プレートとを含み、前記第２プレートと前記第３プレートとは、それぞれ、複数の単位プレートを含む。

第２プレートと前記第３プレートとのそれぞれは、複数の単位プレートを含む。
第２プレートは、複数の単位プレートを含み、前記複数の単位プレートのうち隣接した単位プレートと接触されたヒーターを含み、前記隣接した単位プレートは互いに絶縁される。

ヒーターは、前記ヒーターの長さ方向に対して垂直の方向に延びた突出部を含み、前記突出部は、前記第３プレートに覆われる。
ヒーターにヒーターキャップが被せられ、前記ヒーターキャップは、前記ヒーターキャップの長さ方向に対して垂直の方向に延びた係止突起を含み、前記ヒーターキャップの係止突起は、前記第３プレートの複数の単位プレートの間に嵌められて固定される。

前記ヒーターは、複数のグループでグルーピングされた複数のヒーターグループを含み、前記複数のヒーターグループは、互いに同一の電力を消費する。

複数のヒーターグループのうち隣接した２つのヒーターグループは、１つの電極に共通に連結される。

複数のヒーターグループのそれぞれは、個別的に２つの電極が連結される。
第２プレートの周りを囲む絶縁リングが設けられる。

前記底面部は、ホールを有し、前記ホールに装着された流動ガス供給ノズルを含み、前記流動ガス供給ノズルは、前記流動ガス供給ノズルの長さ方向に対して垂直方向に延びたフランジ部を含み、第１緩衝物と第２緩衝物とは、前記フランジ部の上部と下部とにそれぞれ配置されて前記流動ガス供給ノズルを取り囲む。

第１反応管と前記第２反応管とは、それぞれ、前記第１ボディ部と前記第２ボディ部の方向に突出された突出部を含み、前記第１反応管の突出部と前記第２反応管の突出部とは、互いに向き合う。

第１反応管の突出部と前記第２反応管の突出部との間にシーリング材が位置する。
支持リングが前記第１反応管と前記第２反応管との間に嵌められる。

支持リングと前記第１反応管との間、及び前記支持リングと前記第２反応管との間に、シーリング材が位置する。

本発明によると、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスなどが容易であり、かつ、組み立ての過程に伴う反応管内への球形石英ビーズの充填の際に、目視でその状態を確認しながら充填を容易に行うことができるという効果がある。

また、本発明によると、流動層反応器の底面部を複数層のプレートで構成して多結晶シリコンの汚染が防止できるという効果がある。

また、本発明によると、流動層反応器の高圧反応の途中に流動ガス供給ノズルが圧力に耐えられず離脱する事故を防止して流動層反応器の安定した運転が可能である。
また、本発明によると、流動層反応器の反応管内部を加熱するために設けられるヒーターを流動層反応器の底面部に着設した固定部に嵌め込んで組み立てることができるため、組み立て、設置及びメンテナンスが非常に簡単であるという効果がある。

本発明の実施形態による流動層反応器を示す。 本発明の実施形態による流動層反応器を示す。 本発明の実施形態による流動層反応器のプレートを示す。 本発明の実施形態による流動層反応器のプレートを示す。 本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。 本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。 本発明の実施形態による流動層反応器のプレートとヒーターとの組み立て構造を示す。 本発明の実施形態によるヒーターと第２プレートとの電気的連結を示す。 本発明の実施形態によるヒーターと第２プレートとの電気的連結を示す。 本発明の実施形態によるヒーターと第２プレートとの電気的連結を示す。 本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの組み立て構造を示す。 本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。

以下、添付の図面を参照し、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。

図１ａ及び図１ｂは、本発明の実施形態による流動層反応器を示す。図１ａ及び図１ｂに示されたように、本発明の実施形態による流動層反応器５００は、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００と、底面部４００とを含む。

ヘッド１００は、第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００の第１反応管２５０の直径より大きい直径を有する。流動層反応器５００内のガス及び微細粒子が第１反応管２５０からヘッド１００を通る際に直径増加によってガス及び微細粒子の流速が減少する。これによって、排出されるガスあるいは微細粒子の後処理負担を軽減することができる。

ヘッド１００の内壁は、高温で変形しにくい無機材料からなることができる。例えば、ヘッド１００の内壁は、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素のうち、少なくとも１つからなることができる。

また、ヘッド１００の外壁に対する冷却が可能な場合、ヘッド１００の内壁に有機高分子を利用したコーティングまたはライニングのうち、少なくとも１つが行われることができる。

ヘッド１００の内壁が、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素のような炭素含有材料からなった場合、多結晶シリコンが炭素不純物によって汚染される恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できるヘッド１００の内壁は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などのような材料でコーティングまたはライニングされることができる。例えば、図１ｂのヘッド１００は、複数の部分ヘッド１００ａ、１００ｂを含み、第１部分ヘッド１００ａの内面にライニング膜１５０が位置することができる。
第１ボディ部２００は、ヘッド１００の下に位置してヘッド１００と連結され、多結晶シリコン析出反応が起きる空間を提供する。

第２ボディ部３００は、第１ボディ部２００の下に位置して第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００と共通に多結晶シリコン析出反応または加熱反応のうち、少なくとも１つが起きる空間を提供する。

底面部４００は、第２ボディ部３００の下に位置して第２ボディ部３００と連結され、多結晶シリコン析出のための各種ノズル６００、６５０、ヒーター７００、電極８００などが組み立てられる。

このとき、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とは、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。このような材質からなる第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の保護膜は、金属、有機高分子、セラミックス、または石英などからなることができる。

ヘッド１００と第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との組み立ての際、反応器の内部を外部空間から遮断するためにガスケット（ｇａｓｋｅｔ）またはシーリング材（ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）が利用されることができる。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、円筒状パイプ、フランジ、チューブ及びフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）、板（ｐｌａｔｅ）、円錐、楕円または二重壁の間に冷却媒体が流れるジャケット（ｊａｃｋｅｔ）などのように、多様な形態を有することができる。

また、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とが金属材質からなった場合、その内部表面に保護膜がコーティングされるか、保護管または保護壁が追加で設けられることができる。保護膜、保護管または保護壁は、金属材質からなることができるが、反応器内部の汚染を防ぐために有機高分子、セラミックス、石英などのような非金属材料がコーティングまたはライニングされることができる。

第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、熱膨脹防止、作業者保護、その他事故防止などの目的で、水、オイル、ガス、空気などのような冷却流体によって一定温度範囲以下で維持されることができる。冷却が必要な第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との要素の内部あるいは外壁に、冷却流体の循環が可能となるように製作されることができる。一方、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との外部表面に、作業者保護及び過多な熱損失防止のために断熱材が設けられることができる。

上述のように、多結晶シリコンの大量生産のために流動層反応器の大きさ及び高さが増加する場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。すなわち、流動層反応器が大きく高さが高く重量が重い１つのボディ部と反応管とを含む場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスの際にボディ部の取り扱いが困難になり、ボディ部とノズルや反応管とがぶつかって破損されることがある。

一方に、本発明の実施形態による流動層反応器は、複数のボディ部２００、３００と反応管２５０、３５０とを含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易に行われることができる。

次に、本発明の実施形態による流動層反応器の組み立て過程について詳細に説明する。

第１反応管２５０は、第１ボディ部２００の内部に位置するように組み立てる。第２反応管３５０は、第２ボディ部３００の内部に位置するように組み立て、第２ボディ部３００の下端を密閉するための底面部４００に各種ノズル６００、６５０と電極８００とヒーター７００とが組み立てられる。第２反応管３５０が位置する第２ボディ部３００の下部には、底面部４００が連結される。次いで、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが互いに連結され、ヘッド１００が第１ボディ部２００に連結される。

底面部４００に設けられる電極８００については、以後に図４ａ及び図４ｃを参照して説明する。底面部４００に組み立てられる各種ノズルは、流動ガス供給ノズル６００と反応ガス供給ノズル６５０とを含むことができる。

図２ａ及び図２ｂは、本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。

図２ａに示されたように、第１反応管２５０及び第２反応管３５０は、それぞれ、前記第１反応管及び第２反応管の端で前記第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との方向に突出された突出部２５０ａ、３５０ａを含み、第１反応管２５０の突出部２５０ａと第２反応管３５０の突出部３５０ａとは互いに向き合うように位置する。これによって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の接触面積が広くなるため、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険が減る。

図２ｂに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との耐久的な脆弱性を考慮して、支持リング（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｉｎｇ）２７０を第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に嵌める。

支持リング２７０の材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。

支持リング２７０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる支持リング２７０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。支持リング２７０は、シーリング材２７５で仕上げをする。

図２ａに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の部分や、図２ｂに示されたように、支持リング２７０と第１反応管２５０との間と、支持リング２７０と第２反応管３５０との間とに、シート（ｓｈｅｅｔ）、ニット（ｋｎｉｔ）、あるいはフェルト（ｆｅｌｔ）形状のシーリング材２７５が位置することができる。
シーリング材２７５は、高温で耐えることができ、かつ汚染が防止できるように、シリコンを含んでいる繊維状の材質からなることができる。

本発明の実施形態は、組み立て、設置及びメンテナンスの便宜性のために、第１反応管２５０と第２反応管３５０とを含む。したがって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に間隙があり得る。

本発明の実施形態におけるシーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の間隙を塞ぎ、シリコン粒子が外部に漏出することを防止することができる。また、シーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険を減らすことができる。

第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、チューブ形状や、チューブ、円錐及び楕円部分を含む形状を有することができる。第１反応管２５０と第２反応管３５０との端の部分は、プランジ形で加工されることができる。

第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、複数の部分からなることができ、このような部分の一部が、第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の内壁面にライナー（ｌｉｎｅｒ）のような形状で設けられることもできる。

第１反応管２５０と第２反応管３５０との材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。

第１反応管２５０と第２反応管３５０とが炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる反応管の内壁面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。

流動ガス供給ノズル６００は、シリコン粒子を流動させる流動ガスを供給する。このとき、流動ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素（ＨＣｌ）、四塩化シラン（ＳｉＣｌ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。流動ガス供給ノズル６００は、反応管として用いられることができる無機材質成分からなったチューブ、ライナーまたは成型品であることができる。

反応ガス供給ノズル６５０は、シリコン粒子層にシリコン元素を含む反応ガスを供給する。反応ガスは、多結晶シリコンの析出に用いられる原料ガスとしてシリコン元素成分を含む。

反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（ｄｉｓｉｌａｎｅ：Ｓｉ２Ｈ６）、高次シラン（ＳｉｎＨ２ｎ＋２、ｎは３以上の自然数)、二塩化シラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ２Ｃｌ２）、三塩化シラン（ＴＣＳ：ＳｉＨＣｌ３）、四塩化シラン（ＳＴＣ：ＳｉＣｌ４）、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｂｒｏｍｉｄｅ（ＳｉＢｒ４）、ｄｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨ２Ｉ２）、ｔｒｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨＩ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｉｏｄｉｄｅ（ＳｉＩ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。このとき、反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、または塩化水素のうち少なくとも１つをさらに含むことができる。

反応ガスの供給によって、０．５〜３ｍｍ程度の多結晶シリコン種粒子の表面に多結晶シリコンが析出され、多結晶シリコン種粒子の大きさが増加する。多結晶シリコン種粒子の大きさが一定程度増加すると、流動層反応器の外部に放出される。

ヒーター７００は、流動層反応器５００の内部に多結晶シリコン粒子の表面でシリコン析出反応が起きるための熱を供給する。ヒーター７００は、グラパイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、炭化ケイ素のようなセラミックス、または金属材質のうち少なくとも１つを含むことができる。

各種ノズル、電極８００及びヒーター７００などは、底面部４００を構成するプレート４１０乃至４４０とともに組み立てられる。図１ａと図１ｂとに示されたように、本発明の実施形態による底面部４００は、基底プレート４１０と、第１乃至第３プレート４２０、４３０、４４０とを含む。
基底プレート４１０は第２ボディ部３００と連結され、流動ガス供給ノズル及び反応ガス供給ノズルが組み立てられる。基底プレート４１０は、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。第１プレート４２０は、基底プレート４１０上に位置し、基底プレート４１０を絶縁させる。これによって、第１プレート４２０はクオーツ（ｑｕａｒｔｚ）のように絶縁性を持ちながらも析出される多結晶シリコンを汚染させない物質からなることができる。

第１プレート４２０は、クオーツの以外に窒化ケイ素、アルミナ、イットリアなどの高温での耐熱性を有するセラミックス物質からなることができ、場合によってはこのようなセラミックス物質で第１プレート４２０の表面がコーティングまたはライニングされることができる。

第２プレート４３０は、第１プレート４２０上に位置し、ヒーター７００と接触してヒーター７００に電気を供給する。これによって、第２プレート４３０は、グラパイト、シリコンカーバイドがコーティングされたグラパイト、シリコンカーバイド、及び窒化ケイ素がコーティングされたグラパイトのような導電性物質からなることができる。

基底プレート４１０と第２プレート４３０との間には絶縁特性を有している第１プレート４２０が位置するため、基底プレート４１０と第２プレート４３０とは互いに絶縁される。

第２プレート４３０がヒーター７００と接触するため、第２プレート４３０で熱が発生することがあるが、第２プレート４３０で電流の流れる断面積がヒーター７００に比べて非常に大きいため、第２プレート４３０で発生する熱はヒーター７００で発生する熱に比べて非常に小さい。

また、第２プレート４３０で発生する熱を減らすために軟性に優れたグラパイトシート（ｓｈｅｅｔ）が第２プレート４３０とヒーター７００との間に挿入されることもできる。

基底プレート４１０と第２プレート４３０とが導電性を有する場合、基底プレート４１０と第２プレート４３０との接触によって基底プレート４１０に流れる漏洩電流が発生することがある。これによって、図１ａと図１ｂとに示されたように、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端は、隔離距離を有することができる。

すなわち、第１プレート４２０には第２プレート４３０が装着されることができる溝が形成されることができる。例えば、第１プレート４２０には第２プレート４３０の長さと同じか大きい溝が形成され、第２プレート４３０が第１プレート４２０の溝の中に装着されることができる。これによって、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端の間に第１プレート４２０の一部分が位置することができるため、基底プレート４１０と第２プレート４３０との間の絶縁が維持されることができる。

図１ａに示されたように、第１プレート４２０によって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることができ、図１ｂに示されたように、第２プレート４３０の周りを囲む絶縁リング９００が設けられることによって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることもできる。このとき、絶縁リング９００は、クオーツ、セラミックスからなることができる。
第３プレート４４０は、第２プレート４３０上に位置して、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で析出された多結晶シリコンが第２プレート４３０によって汚染されることを防止し、絶縁機能を有している。これによって、第３プレート４４０は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。

第３プレート４４０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、第３プレート４４０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。

また、底面部４００の第２プレート４３０と第３プレート４４０とは１つのボディではなく複数個の単位プレートを含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になる。

すなわち、多結晶シリコンの大量生産のための流動層反応器の大きさが増加するため、第２プレート４３０と第３プレート４４０とが１つのボディからなった場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難になる恐れがある。例えば、図１ｃに示されたように、第３プレート４４０は、同心円方向と直径方向に切られた単位プレートｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｐ３１、ｐ３２で構成されることができる。また、図１ｄに示されたように、第３プレート４４０は、大きさの異なるリング形状の単位プレートｐ１、ｐ２、ｐ３で構成されることができる。

図３は、本発明の実施形態による流動層反応器のプレートとヒーターとの組み立て構造を示す。図３に示されたように、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とを貫通する固定ボルト４５０によって、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とが固定されることができる。

図３に示されたように、底面部４００に含まれた複数のプレート４１０乃至４４０は、複数のプレート４１０乃至４４０を貫通する固定ボルト４５０によって固定される。

このような固定ボルト４５０は、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で形成される多結晶シリコンの汚染を防止するために、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。

固定ボルト４５０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、固定ボルト４５０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされるか、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素からなったキャップが固定ボルト４５０に被せられることができる。固定ボルト４５０は、複数のプレート４１０乃至４４０とネジ締結方式で組み立てられる。

一方、ヒーター７００が組み立てられる底面部４００には、ヒーター７００に挿入される固定部７２０が着設されている。ピンやクリップのような固定部７２０は、底面部４００のプレートのうちヒーター７００と連結される第２プレート４３０に形成された穿孔部に組み立てられる。
ヒーター７００には固定部７２０が挿入される溝が形成され、製造者または使用者がヒーター７００を固定部７２０に圧入してヒーター７００を底面部４００に固定することができる。

したがって、ヒーター７００の組み立てにはネジボルトなどの締結が不要であるため、ヒーター７００の組み立てが簡単に行われることができる。本実施形態において、ヒーター７００は、Ｕ字形状を有するため、１つのヒーター７００ごとに２つの固定部７２０が必要であるが、ヒーター７００の形状によって固定部７２０の個数は変わることができる。固定部７２０は、グラパイトや金属材質のように電気伝導性と軟性とに優れた材質からなることができる。

第２プレート４３０は、複数の単位プレートを含み、ヒーター７００の下部は、互いに隣接した単位プレート４３０ａ、４３０ｂと接触することによって第２プレート４３０の単位プレート４３０ａ、４３０ｂを通して電気の供給を受ける。このとき、ヒーター７００において底面部４００に連結される部分は、前記ヒーターの長さ方向に対して垂直の方向に前記ヒーターの下部から延びた突出部を含む。

このような前記ヒーターの突出部７００ａは、前記固定部７２０と結合されると同時に、前記第３プレート４４０によって覆われてヒーター７００の固定がより安定に行われることができる。

隣接した単位プレート４３０ａ、４３０ｂは、互いに絶縁されている。例えば、ヒーター７００の下部と接触する第２プレート４３０の単位プレート４３０ａ、４３０ｂの間には、絶縁体７３０が位置することができる。絶縁体７３０は、ヒーター７００の下部と接触する単位プレート４３０ａ、４３０ｂの間を絶縁させて、漏洩電流の発生を防止する。単位プレート４３０ａ、４３０ｂについては、以後により詳細に説明する。

本発明の実施形態において、ヒーター７００は、単位体積当たり広い表面積を有することによって、加熱効率を高めるためにヒーター７００の表面にしわが形成されることができる。表面積を広げて加熱効率を高めるために、しわの以外にヒーター７００の表面に多様な形状の突起あるいはパターンが形成されることもできる。これによって、ヒーター７００の表面に、しわ、突起またはパターンのうち少なくとも１つが形成されることができる。

固定部７２０がヒーター７００に挿入された後、ヒーター７００の保護し、かつヒーター７００による多結晶シリコンの汚染を防止するために、ヒーターキャップ７１０がヒーター７００の外部を取り囲んでヒーター７００が露出しないようにする。
このようなヒーターキャップ７１０の役割を果たすために、ヒーターキャップ７１０は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。ヒーターキャップ７１０が、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、ヒーターキャップ７１０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。

ヒーターキャップ７１０は、前記ヒーターキャップの長さ方向に対して垂直の方向に延びた係止突起７１０ａを含み、前記ヒーターキャップ７１０の係止突起７１０ａは、第３プレート４４０の複数の単位プレート４４０ａ、４４０ｂの間に嵌められて固定される。

次に、図面を参照し、ヒーターと第２プレートの電気的連結について説明する。
図４ａ〜図４ｃは、本発明の実施形態によるヒーターと第２プレートとの電気的連結を示す。

図４ａ〜図４ｃを参照すれば、各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３は、２つの電極８００と連結され、ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３の消費する電力量は同一であることができる。電極８００は、黒鉛、炭化ケイ素、金属材質、またはこれらの複合物からなることができる。電極８００の形態は、ケーブル、棒、ロッド、成形物、コンセント、結合器、バー、編組線やこれらの組合であることができる。

このとき、図４ａ及び図４ｂに示されたように、１つの電極８００には、２つのヒーターグループが連結されることができる。これによって、ｎ個(ｎは２以上の自然数)のヒーターグループの場合、流動層反応器はｎ個の電極８００を含むことができる。

ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３の電気抵抗は、互いに同一であることができる。すなわち、各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が含むヒーター７００の個数は一定であり、ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が含むヒーター７００の抵抗は、互いに同一であることができる。各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が含むヒーター７００の個数が互いに同一である場合、流動層反応器５００の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になることができる。図４ａでは、各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が含むヒーター７００の個数は、２つで一定であり、ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が含むヒーター７００の抵抗は、互いに同一である。

ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ４を構成するヒーター７００の抵抗が互いに異なっていても、複数のヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ４のそれぞれの抵抗が互いに同一になるようにヒーター７００が配列されれば、複数のヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ４の消費する電力量が互いに同一になり、流動層反応器５００の内部に均一の熱が供給されることができる。

上述のように、多結晶シリコン製品の大量生産のために流動層反応器が大きくなるほど流動層反応器５００の内部領域も大きくなる。これによって、複数のヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３は、流動層反応器５００の内部領域に均一に熱を供給しなければならない。本発明の実施形態による流動層反応器のヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３は、流動層反応器の内部領域全体を均一に加熱することができるため、良質の多結晶シリコン製品を大量生産することができる。

複数のヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３のそれぞれは、互いに異なる相を有した電源の供給を受けることができる。例えば、本発明の実施形態による流動層反応器が３つのヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３を含む場合、各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３は、３相電源の供給を受けることができる。このとき、各相の位相差は、１２０゜であることができる。

また、各ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３が互いに同一の電力量を消費するように、ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３に供給される電源が独立的に制御されることができる。例えば、各ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３の電気抵抗が異なるか同一の電力供給が困難である場合、ヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３が互いに同一の電力量を消費するように、互いに異なる大きさの単相電源が各ヒーターグループＨＧ１〜ＨＧ３に供給されることができる。

多相電源が供給される場合、図４ａ及び図４ｂに示されたように、隣接したヒーターグループは電極８００を共有することができるが、図４ｃのように単相電源が供給される場合、１つのヒーターグループは他のヒーターグループと共有しない２つの電極８００と連結されることができる。

上述のように、ヒーター７００は、絶縁体７３０によって互いに絶縁された単位プレート４３０ａ、４３０ｂと接触する。例えば、図４ａに示されたように、ヒーター７００の一端は、１つの単位プレート４３０ａに連結され、ヒーター７００の他端は、他の１つの単位プレート４３０ｂに連結される。これによって、ヒーターグループのヒーター７００は、直列連結されることができる。

第２プレート４３０の単位プレート４３０ａ、４３０ｂは、ヒーター７００と同一の物質からなることができる。例えば、ヒーター７００と単位プレート４３０ａ、４３０ｂとの材質については上述したため、これについての説明は省略する。

図４ａの単位プレートは、図３の単位プレート４３０ａ、４３０ｂに当てはまることができる。

一方、図４ａ及び図４ｂの流動層反応器のそれぞれは、３つのヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３及び４つのヒーターグループＨＧ１、ＨＧ２、ＨＧ３、ＨＧ４を含むが、これに限定するものではない。

図５は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの組み立て構造を示す。図５に示されたように、流動ガス供給ノズル６００には、流動ガス供給ノズル６００の固定のためのフランジ部６１０が形成される。流動層反応器の底面部４００には、流動ガス供給ノズル６００を装着させることのできるホール４０５が形成される。

流動ガス供給ノズル６００のフランジ部６１０の上部と下部とに、第１緩衝物６２０と第２緩衝物６３０が配置される。このような第１緩衝物６２０と第２緩衝物６３０とは、流動ガス供給ノズル６００のフランジ部６１０を取り囲んで外部衝撃から流動ガス供給ノズルを保護することができ、かつ、第１緩衝物６２０及び第２緩衝物６３０は、流動ガス供給ノズル６００の組み立てを堅固にして堅固なシーリングを提供することができる。

底面部４００に形成されたホール４０５の表面の一部または全体には、ネジ山が形成され、流動ガス供給ノズル６００が緩衝物６２０、６３０とともにホール４０５に装着された後、外面にネジ山を有するブッシング６４０がホール４０５の表面のネジ山によってネジ結合される。ネジ結合されるブッシング６４０によって流動層反応器の運転途中に高圧流動ガスによる流動ガス供給ノズル６００の離脱や移動が防止されることができる。

図６は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。図６の(ａ)及び(ｂ)は、一定の厚さのフランジ部６１０を有した流動ガス供給ノズル６００を示す。図６の(ｃ)は、底面部４００と接触する流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが増加するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の(ｄ)は、流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが減少するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の(ｅ)は、一定の厚さを有した複数のフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。

第２反応管３５０と底面部４００によって形成された空間のうち、各種ノズルとヒーター７００とが占める空間を除いた残りの空間にビーズが充填される。ビーズ間の空間は、流動ガスが通るチャンネルの役割をするため、ビーズは、流動ガスを流動層反応器の内部に均一に分散させる。ビーズの形態は、球、楕円形、ペレット、ナゲット、チューブ、棒、リングまたは前記形態の複合形態であることができる。ビーズの材質は、高純度シリコンや反応管２５０、３５０の材質と同一であることができる。ビーズの大きさは、多結晶シリコンが流動層反応器の外部に排出される生産物排出口の直径より大きいことができ、このとき、ビーズの平均直径は、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることができる。これによって、ビーズが生産物排出口を通して外部に排出されないことができる。

本発明の実施形態による流動層反応器は、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とを含み、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易である。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てられた状態でビーズが充填される場合に第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との全体高さが大きいため、ビーズの充填が困難であり、落ちるビーズによって流動層反応器の内部に位置するヒーター７００やノズルまたは第１反応管２５０及び第２反応管３５０が破損されることがある。これによって、本発明の実施形態においては、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てられる前に、第２反応管３５０と底面部４００とによって形成された空間にビーズが充填されることによって、ビーズの充填を安定的に行うことができる。

ビーズの充填以後、第２ボディ部３００と第１ボディ部２００とが組み立てられる。第２ボディ部３００と第１ボディ部２００との組み立てによって、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とに挿入された第１反応管２５０と第２反応管３００とが互いに連結される。

第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、及び第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間には、水素、窒素、アルゴン、ヘリウムのように多結晶シリコンと反応しない不活性ガスで満たされることができる。

流動層反応器の内部に加えられる熱が外部に放出されることを遮断するために、第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間、または以外の必要な空間に、無機材質の断熱材が設けられることができる。断熱材の形態は、シリンダー、ブロック、布地（Ｆａｂｒｉｃ）、毛布、フェルト（Ｆｅｌｔ）、発泡体、充填層などであることができる。

本発明の権利は、上述した実施形態に限定されず、請求範囲に記載したものにより定義され、本発明の分野における通常の知識を有した者が請求範囲に記載した権利範囲内で多様な変形と改作ができるということは自明である。

１００ ヘッド
２００ 第１ボディ部
２５０ 第１反応管
３００ 第２ボディ部
２７０ 支持リング
３５０ 第２反応管
４００ 底面部
４１０ 基底プレート
４２０ 第１プレート
４３０ 第２プレート
４３０ａ、４３０ｂ、４３１ａ、４３１ｂ、４３３ａ、４３３ｂ 単位プレート
４４０ 第３プレート
４４０ａ、４４０ｂ、ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ１１、ｐ１２、ｐ２１、ｐ２２、ｐ３１、ｐ３２ 単位プレート
４５０ 固定ボルト
５００ 流動層反応器
６００ 流動ガス供給ノズル
６１０ 係止突起
６５０ 反応ガス供給ノズル
４０５ ホール
６２０ 第１緩衝物
６３０ 第２緩衝物
６４０ ブッシング
７００ ヒーター
７１０ ヒーターキャップ
７３０ 絶縁体
７２０ 固定部
８００ 電極

Claims (15)

1. ヘッドと、
   前記ヘッドの下に位置して前記ヘッドと連結され、前記ヘッドの直径より小さな直径を有する第１反応管がその内部に位置する第１ボディ部と、
   前記第１ボディ部の下に位置して前記第１ボディ部と連結され、前記第１反応管の直径と実質的に同一の直径を有する第２反応管がその内部に位置する第２ボディ部と、
   前記第２ボディ部と連結された底面部と、を含み、
   前記第１ボディ部と前記第２ボディ部とは、互いに分離及び組み立て可能であることを特徴とする、流動層反応器。
2. 前記底面部は、順次に積層された基底プレートと、第１プレートと、第２プレートと、第３プレートと、を含み、
   前記第２プレートと前記第３プレートとは、それぞれ、複数の単位プレートを含むことを特徴とする、請求項１に記載の流動層反応器。
3. 前記第２プレートと前記第３プレートとのそれぞれは、複数の単位プレートを含むことを特徴とする、請求項２に記載の流動層反応器。
4. 前記第２プレートは、複数の単位プレートを含み、
   前記複数の単位プレートのうち隣接した単位プレートと接触されたヒーターを含み、
   前記隣接した単位プレートは、互いに絶縁されることを特徴とする、請求項２または３に記載の流動層反応器。
5. 前記ヒーターは、前記ヒーターの長さ方向に対して垂直の方向に延びた突出部を含み、
   前記突出部は、前記第３プレートに覆われることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
6. 前記ヒーターにヒーターキャップが被せられ、
   前記ヒーターキャップは、前記ヒーターキャップの長さ方向に対して垂直の方向に延びた係止突起を含み、
   前記ヒーターキャップの係止突起は、前記第３プレートの複数の単位プレートの間に嵌められて固定されることを特徴とする、請求項４または５に記載の流動層反応器。
7. 前記ヒーターは、複数のグループでグルーピングされた複数のヒーターグループを含み、
   前記複数のヒーターグループは、互いに同一の電力を消費することを特徴とする、請求項４から６のいずれかに記載の流動層反応器。
8. 前記複数のヒーターグループのうち隣接した２つのヒーターグループは、１つの電極に共通に連結されることを特徴とする、請求項７に記載の流動層反応器。
9. 前記複数のヒーターグループのそれぞれは、個別的に２つの電極が連結されることを特徴とする、請求項７に記載の流動層反応器。
10. 前記第２プレートの周りを囲む絶縁リングが設けられることを特徴とする、請求項２または３に記載の流動層反応器。
11. 前記底面部は、ホールを有し、前記ホールに装着された流動ガス供給ノズルを含み、
    前記流動ガス供給ノズルは、前記流動ガス供給ノズルの長さ方向に対して垂直方向に延びたフランジ部を含み、
    第１緩衝物と第２緩衝物とは、前記フランジ部の上部と下部とにそれぞれ配置されて前記流動ガス供給ノズルを取り囲むことを特徴とする、請求項１に記載の流動層反応器。
12. 前記第１反応管と前記第２反応管とは、それぞれ、前記第１ボディ部と前記第２ボディ部との方向に突出された突出部を含み、前記第１反応管の突出部と前記第２反応管の突出部とは、互いに向き合うことを特徴とする、請求項１に記載の流動層反応器。
13. 前記第１反応管の突出部と前記第２反応管の突出部との間にシーリング材が位置することを特徴とする、請求項１２に記載の流動層反応器。
14. 支持リングが前記第１反応管と前記第２反応管との間に嵌められることを特徴とする、請求項１、１２、１３のいずれかに記載の流動層反応器。
15. 前記支持リングと前記第１反応管との間、及び前記支持リングと前記第２反応管との間に、シーリング材が位置することを特徴とする、請求項１４に記載の流動層反応器。

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