JP2649834B2 - 加熱されたライナーを備えた流動床 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ・発明の背景 本発明は改良された加熱式流動床反応装置及びその反
応装置の加熱方法に関する。更に詳しくは本発明の好ま
しい態様において、含シランガス（シラン含有ガス）の
熱分解による多結晶シリコン（ケイ素）製造に使用され
る改良された加熱式流動床反応装置に関するものであ
る。

反応容器内部に含まれる流動床反応領域に必要な熱を
加える技術においては種々の手段が公知のものである。
反応容器の外側に熱を加える直接手段の例としては適切
な熱伝達流体及び誘導抵抗或いは電気抵抗ヒーターが挙
げられる。このような既存の手段では、まず熱を反応容
器壁に通すことによつて流動床反応領域に熱が供給され
る。これらの手段は、多くの用途の目的に適つている一
方、所望する反応の特別な性質や反応装置の形状故に流
動体の他の用途にとつては必ずしも満足のいくものでは
ない。このような既存の手段や形状により加熱された流
動床を使用する反応には望ましくない副作用が伴うこと
がある。

流動床反応領域における含シランガスからの多結晶シ
リコンの製造はこれら流動床加熱のための従来の手段の
限界を示す顕著な一例である。この例ではシリコン粒子
は含シランガスを吹込む流動化ガス流中に浮遊させられ
る。操作条件はシラン分解が不均質に起こる。即ちシラ
ンが分解し流動床中のシリコン粒子表面上に付着するよ
うに維持するのが好ましい。この方法においてはシリコ
ン粒子は粒子上のシリコン付着物により大きくなりシリ
コン生成物が十分大きな粒径の粒子に成長し、反応領域
下の捕集領域からこのような粒子を通常の手段で除去す
ることが可能になる。

副生成物である水素及び他のガスは塔頂ガスとして反
応領域からそれぞれ除去することができる。

流動床を多結晶シリコンの製造に応用する場合、反応
容器壁の内側に内張り（ライナー）を施してシリコン粒
子が反応容器壁の加熱された金属壁と接触して汚染され
ることを防ぐためのバリア（barrier）を設けると同時
にシリコンと膨張率の等しい物質を供給する。内張りは
又、シリコンが反応容器壁上に付着することを防ぐ役割
も果している。

流動床反応領域における含シランガスの熱分解による
シリコン生成の場合は、流動床反応領域を加熱する従来
の手段として、通常反応容器の外壁に均一に熱を供給す
る熱源が採用されている。

含シランガスの熱分解は、McHaleの米国特許第4,292,
344号明細書に述べられているように流動床反応領域の
容量性加熱によつて行なわれる。均質インダクシヨン・
コイル、電気抵抗エレメント、ガスだき間接加熱器など
の加熱方法も反応容器壁の外側に使用され、Lingの米国
特許第3,012,861号及びBertvand等の米国特許第3,012,8
62号に開示されている。これら従来の手段は容器壁の外
側に必要な熱を供給することが可能である。応用例の中
には反応容器の外壁を均一に熱するために容器壁及び内
張りに熱を通す必要があり、結局ある程度伝導熱の損失
となつているものもある。又、従来の加熱手段の使用に
より、しばしば反応器の塔底から塔頂に温度傾斜、即ち
反応領域下にあるガス分散板及び生成物捕集室の温度が
低いため塔底は温度が低く、塔頂は温度が高くなること
が起こる。温度傾斜が存在すると流動床の下部は有効に
利用されず、流動床反応領域の完全な有効利用は実現さ
れない。

故に、流動床反応領域を十分に利用できるよう流動床
反応器の塔頂よりも塔底あたりにもつと熱を導入でき
る、改良された流動床反応器の開発が必要とされてい
る。特に、このような加熱手段が、反応容器壁に熱を通
す必要なく反応領域に熱を供給できることが望まれてい
る。

・発明の要約 本発明は流動床粒子を閉じこめることのできる流動床
反応領域を形成する手段を包含する改良された加熱式流
動床反応器に関する。更に流動床反応器は不活性で、反
応領域を取り巻く内張りを含み、該内張りは電流が流れ
るにつれて温度が上がる導電物質から成つている。電流
が供給する手段は不活性の内張り（ライナー）に取り付
けられ、それにより、不活性の内張りは反応領域へと流
れる熱を発生する。

一態様において、不活性の内張りは下部よりも上部の
方が厚い。このように厚さが異なるので内張りの上部に
発生する熱よりも内張りの下部に発生する熱の量が大き
くなるのである。

本発明は更に、不活性の内張りで反応領域を取り囲む
ことによつて流動床反応領域を加熱する方法に関するも
のである。この不活性の内張りは電流が流れるにつれて
温度の上がる導電物質から成る。電流が不活性の内張り
に供給され、それによつて不活性の内張りは反応領域へ
と伝わる熱を発生する。

本発明は更に、流動床反応領域で含シランガスを熱分
解し高純度多結晶シリコンを製造する方法に関するもの
である。含シランガスはシリコン粒子の流動床で不均質
に分解する。このシリコン粒子の流動床は電流が流れる
につれて温度の上がる導電物質から成る不活性の内張り
によつて囲まれている。不活性の内張りに電流が供給さ
れ、それによつて不活性の内張りは反応領域へと伝わる
熱を発生する。

本発明に従つて、熱源として、部位ごとに厚さを変え
た不活性内張りを使用した改良された加熱式流動床反応
器が提供される。熱源として内張りを使用することによ
り熱が通り抜けるべき媒体としての容器壁を迂回するこ
とになる。熱源として、部位により厚さを変えた不活性
内張りを使用することにより、必要とされている反応器
塔底附近により多くの熱を導入することができ、故に流
動床全体をもつと有効に使用することができる。改良さ
れた加熱流動床反応器及びその反応器の加熱方法は従来
の外部加熱手段に伴なう欠点を有しない。

本発明の前述以外の目的、改変及び利点は添付の図面
を参照すれば、本発明の以下の説明から容易に明らかに
なる。図面は本発明の幾つかの好ましい態様の例示であ
つて開示範囲をいさゝかも限定するものではない。

・図面の概説 第１図は本発明による内張り流動床反応器の断面略図
を示す。

第２図は本発明の一態様による不活性の内張りにシリ
コンの付着した流動床反応器壁の拡大断面図を示す。

第３図は本発明による内張り流動床反応器の断面略図
を示す。

・発明の詳述 本発明はここでは含シランガスのシリコンへの熱分解
に関する好ましい態様に関連して説明する。熱入力を要
する流動床で行なうことのできる異なつた種類の反応に
も本発明が等しく応用できることは理解されるところで
ある。

明細書中に使用されているように“不均質分解”は２
つ以上の相で起こる。例えば分解が気体相と固体相の境
界で起こる場合など、含シランガスのシリコンへの還元
を意味する。不均質分解により流動床中に浮遊したシリ
コン種粒子上又は流動床反応器の内面上にシリコンが付
着する。“均質分解”は例えば気体相のように一層で起
こり、ミクロンからサブミクロンの大きさの範囲の高表
面積シリコン粉末或いはシリコン微粒子を生成する。所
定の温度では一般に含シランガスの分解は均質の場合及
び／又は不均質の場合もあり、それは含シランガスの濃
度によつて決まる。一般的に含シランガスの供給濃度が
低い方が不均質モードにおける含シランガスのシリコン
への分解を維持するために望ましい。しかし、シラン及
び／又はハロシラン含有ガスの供給濃度が余りにも低い
と、高シリコン生成率は期待できない。

前述の“シリコン種粒子”は大きさが約50ミクロンか
ら約400ミクロンの範囲の流動床の粒子を意味する。こ
れらの粒子はシリコンが付着するにつれて大きくなり、
最後に、シリコン生成物粒子として捕集されるのが望ま
しい。“シリコン生成物粒子”は約400ミクロン以上の
大きさになつた。好ましくは約400ミクロンから約1300
ミクロンの範囲にあるこれら種粒子である。これら粒子
は反応領域の底部近辺で分離し、捕集領域で捕集され、
従来の手段で除去される。“シリコン粒子”は流動床の
シリコン種粒子及びシリコン生成物粒子双方を意味す
る。

“シリコン粉末”は一般に含シランガスの均質分解に
より生じたミクロンからサブミクロンの大きさの高表面
積シリコン粒子を意味する。

明細書中に使用されているように“含シランガス”は
別に指示のない限り、シラン及び／又はハロシラン含有
ガスを示す。

“流動ガス”或いは“流動化ガス”は、明細書に使用
されているように含シランガスと、シリコン粒子の流動
化促進の為、流動床反応器に添加される付加的な不活性
キヤリアガスの組み合わせを意味している。

多結晶シリコンは含シランガス流を反応領域に浮遊し
ているシリコン微粒子の流動床に導入することによつて
製造できる。これらのシリコン粒子は流動化ガスの上昇
流によつて反応領域に浮遊している。反応領域の温度は
含シランガスの分解温度範囲とシリコンの融点温度との
内に維持される。含シランガスは分解して、シリコン粒
子表面上に付着するシリコンを形成する。シリコンがシ
リコン粒子上に付着するとこれら粒子は大きくなり、反
応領域の下側に配置された捕集領域の流動床底部近くで
分離する。このシリコン生成物粒子は捕集領域から従来
の方法で取り出される。反応領域を通過する流動化ガス
の速度はシリコン粒子の最小流動化速度以上に維持され
る。

含シランガスは従来のやり方に従つて流動床底部から
反応領域へと導入される。該ガスは希釈されずに導入す
ることもできるし、不活性キヤリア即ち水素、アルゴ
ン、ヘリウム等の流動化ガスで希釈することもできる。
シランの分解では副生成物である水素が生成され、流動
床の半連続的、或いは連続的操作における追加分のシラ
ン供給ガスに使用されるキヤリアガスとして再使用可能
である。

流動床への供給ガスとしては、熱分解されてシリコン
になりうる、或いはガス相で還元されてシリコンになり
うる適当な含シランガス流ならば何でも使用できる。そ
の例としては、シラン、及び塩素、臭素、弗素、ヨウ素
のハロシランが挙げられる。トリクロロシラン、テトラ
クロロシラン、ジクロロシラン等のクロロシランも利用
できるが、シランの使用により特別な利益が実現され
る。わずかに発熱を伴なう熱分解反応が実質的に完結
し、不可逆性となり、含ハロシランガス等に必要な熱分
解条件と比較した場合やゝ低めの約200℃という温度で
開始する。更に、シランとその分解生成物、即ちシリコ
ンと水素は非腐食性で非汚染性である。発生した副生成
物水素は系内の再利用不活性ガスとして使用される。そ
れと比較してクロロシランの分解は可逆性、不完結反応
で本質的に腐食性である副生成物の生成に至る。勿論シ
ラン以外の含シランガスも使用可能であるが、本発明に
おいての使用に好ましいのは、シランである。

シラン供給ガス流及び不活性キヤリアガス流は反応領
域の下側に設けた従来のガス分散板を使用することによ
り反応領域へと導入される。又、ここで、流動化される
粒子は随意に流動化ガス中に導入される。反応領域を通
過する流動化ガス速度は大体流動床内を平均粒径の粒子
を流動化するための必要最小限流動化速度の約２〜６倍
の速度に維持される。本文中で使用されているように
“平均粒径”は所定粒子の分率と、その粒子の特定の分
率に帰するそれぞれの粒径との商の合計を示す。好まし
くは、流動化ガス速度は流動床の粒子の最小流動化速度
の約４倍である最小流動化速度は下記の式のような公知
である従来の方法によつて決定される。

ここで、_ｏ ＝流動化のための最小の表面ガス速度（ft/s） D_p＝床の粒子の平均直径（ft） ρ＝流動化ガスの密度（lb/ft³） ρ_ｐ＝粒子の密度（lb/ft³） φ_ｓ＝粒子の球体度 ε＝最小流動化のときの粒子の床の空隙率 μ＝流動化ガスの絶対粘度（lb/ft−ｓ） ｇ＝重力の加速度（ft/s²） なお、数値及びデータに関しては、次のとおり大略換
算する。

フート＝30.48cm インチ＝１フート×1/12＝2.54cm ポンド＝453g 最小流動化速度は、ガス粘度およびガス濃度、ならび
に平均粒子直径、粒子形状および空隙率の強力な関数で
ある。従つて、最小流動化速度は上記フアクタの小さな
変化で広い範囲を示す。本発明を特別な最小流動化速度
またはガス流動化速度に限定することは意図していな
い。

前述のように反応領域内の温度は含シランガスの分解
範囲とシリコンの融点温度との内に維持される。含シラ
ンガスの分解が起こる温度は約200℃からそれ以上の温
度の間である。シリコンの融点温度は約1400℃である。
故に、反応領域は約200℃から約1400℃の間の温度で操
作するのが好ましく、さらに好ましくは約550℃から約1
000℃の範囲である。

既に述べた流動床反応器の方法による多結晶シリコン
の生成は平均粒径が約50ミクロンから約400ミクロンの
範囲にあるシリコン種粒子の供給にかゝつている。これ
らシリコン種粒子はシランの不均質分解により生じたシ
リコンが付着する基体を形成している。シランが分解し
種粒子が大きくなると平均粒径が少くとも約400ミクロ
ン好ましくは約400ミクロンから約1300ミクロンの間に
ある大きくなつた生成粒子が反応領域底部近くで分離し
捕集領域へはいる。そこでこの大きめのシリコン生成物
粒子は捕集され継続的に或いは定期的に反応器から取り
出される。このように大きい粒子は十分な大きさ故に得
られた高純度物質を過度に汚染することなく容易に扱う
のに十分な大きさを有している。流動床をなすシリコン
粒子の大きさは本発明自体にとつて重大のものではな
く、公知の種々の流動床応用例で共通して使用されてい
る通常の限界内に維持されるということを理解する必要
がある。

補充のシリコン粒子を流動床に供給するために生成物
質の少量を転用し適当に砕いたり或いはひいたりして小
さく細かい種サイズの粒子にすることも可能である。こ
れら粒子は再び流動床に導入される。導入に際して、こ
の小さいシリコン粒子は前述と同様シラン分解のための
成長点地となり次第に大きくなり、流動床から取り出さ
れる。

本発明による流動床反応器は所望の流動床反応を行な
う、一般的に縦型の容器である。この反応の例として
は、イオン交換反応、吸収反応、吸着反応、触媒反応等
が挙げられる。好ましいのは、含シランガスを流動床反
応領域においてシリコン種粒子上に付着するシリコンに
熱分解する反応である。シリンダー状の容器及び反応領
域が好まれるが、流動床操作にみあつた形ならばどんな
形でも利用できることを理解する必要がある。特定の容
器及び反応領域のサイズは本発明の実施にとつて重大と
は見なされない。特定のサイズは第一にデザインの経済
性によつて決まるであろう。

反応領域は狭すぎてはならない。というのは収率が低
下するからである。しかし、広すぎてもならない。とい
うのは高温、高流動化ガス速度に呼応してエネルギーの
コストが高くなるからである。含シランガスが熱分解し
てシリコンになる好ましい態様においては、流動床反応
領域の直径は約６インチから48インチ、好ましくは約12
インチから24インチ、最も好ましくは約12インチであ
る。

多結晶シリコンの生成においては高表面積シリコン種
粒子及び／或いはシリコン生成物粒子が直接容器壁と接
触すると、シリコンは化学的或いは物理的に汚染され
る。この汚染を防ぐために反応領域と反応容器壁の間に
内張りを施すことは知られている。シリコン種或いは生
成物粒子に化学的にも物理的にも悪影響を与えないよう
に使用される物質から不活性内張りを選択することに加
えて、本発明者は、内張りの電気抵抗故に内張りに電流
を流した時、熱を発生する不活性内張りを選択すること
が有利であることを発見した。含シランガスの熱分解に
おいては高純度シリコンをその上に付着させることので
きる不活性内張りを使用することが好ましい。このこと
が内張りによるシリコン粒子の汚染を防ぐのである。

不活性内張りに直接電流を供給し、それによつて内張
りは反応領域に伝えられる熱を生じるのだが、このこと
から特別の利益が派生する。施された内張りは、又、シ
リコン粒子の汚染を防ぎ、シリコンが反応容器壁に付着
するのを防ぐ。不活性内張りを熱源として使用すると、
反応容器の外にある熱源とは逆に、反応容器内にある熱
源故に、周囲への熱損失が減少する。又、熱源が反応容
器壁の内側にあるので熱源から反応容器壁を通つて反応
領域に至る熱伝達のための熱損失は存在しない。

このような不活性物質の例としては黒鉛、ステンレス
鋼、モリブデン等が挙げられる。具体的な内張り材は流
動床反応器で起きる反応の種類によつて決まる。内張り
は反応に悪影響を及ぼさないよう選択されなくてはなら
ない。好ましくは、含シランガスの熱分解によるシリコ
ン生成のために流動床反応領域を使用する場合、黒鉛内
張りが本発明の実施において使用される。

シランの熱分解の間、黒鉛の内張りを使用すると、か
なりの量の高純度シリコンが黒鉛の内張り上に付着（沈
積）する可能性がある。そうすると、熱源（即ち不活性
内張り）からの熱はこの余分な耐熱物質の層を通過せざ
るを得ず、結局シリコン付着物層のない不活性内張りか
らの熱伝達と比較した場合、不活性内張りから反応領域
に至る熱伝達の効率が劣ることになる。しかし、シリコ
ン層に供給される電流により、シリコン層が熱源として
の役割を果す可能性もある。シリコン層と黒鉛内張りが
緊密に接触しているので、電流を黒鉛内張りに供給する
ことにより、シリコン層にも電流が供給されるのであ
る。シリコン層はまた、不活性内張りと接触するシリコ
ン粒子によつてひきおこされる汚染からシリコン粒子を
守る役目も果している。

シリコンと黒鉛内張りは反応し、黒鉛内張りの露出表
面上にシリコンカーバイド層を形成するとも考えられて
いる。シリコンカーバイド（炭化ケイ素）層は超高温に
対して耐熱性のある耐火物質タイプの層を形成する。シ
リコンカーバイドはまたシリコン粒子の高レベルの汚染
の可能性を減少せしめる大変硬い物質である。必ずしも
明らかではないが、シリコンカーバイド層は、シリコン
カーバイド層に供給される電流により、熱源としての役
割りを果す可能性もある。シリコンカーバイド層と黒鉛
内張りが緊密に接触しているので、黒鉛内張りに電流を
供給することにより、シリコンカーバイド層にも電流が
供給される。

シリコンが黒鉛内張り上に付着するのと殆んど同じよ
うにシリコン層がシリコンカーバイド層上に付着する可
能性もある。再びこれも明らかではないが、シリコン層
はそこに電流を通すことにより熱源としての役割りを果
すと考えられている。シリコン、シリコンカーバイド及
び黒鉛内張りの緊密な接触故に、電流を直接黒鉛内張り
に供給することにより電流がシリコン層に供給される。

含シランガスをシリコンに熱分解する際使用される内
張りを施した反応領域の下側に反応器は供給ガス流及び
任意に使用しうる他の不活性ガス流導入のための従来型
ガス分散板を備えている。ここはまた流動化されるシリ
コン種粒子が流動化ガスに随意に導入される場所でもあ
る。このガス分散領域で、容器壁は冷却水或いは窒素等
により約200℃の温度に冷却される。含シランガスがシ
リコンに分解するのが早過ぎると分散装置上にシリコン
が付着してしまうので、それを防ぐために上記温度を維
持する。ガス分散領域の温度が低いのでこの領域がヒー
トシンク（heat sink）として作用して、高温に維持さ
れている反応領域からの熱損失を引き起こす傾向があ
る。反応領域からのこのような熱損失により反応領域下
部の温度は、反応領域上部の温度より低い。このことは
流動床反応領域全体の利用が不十分であることにつなが
る。シランをシリコンに熱分解する場合、反応領域の温
度が低いと含シランガスのシリコンへの転換効率が劣
る。反応領域下部の温度を反応領域上部と同じ温度に望
ましく保持するために、本発明者は反応領域上部よりも
下部に多くの熱を導入する必要があることを発見した。

反応領域内に位置する不活性内張りは部位によつて厚
さが異なつているのが好ましい。即ち、不活性内張りの
厚さは反応領域下部よりも反応領域上部の方が厚いのが
好ましい。反応領域上部の不活性内張りの厚さは約２イ
ンチから約12インチ、好ましくは約４インチから約６イ
ンチの範囲にある。塔底においては、厚さは約1/8イン
チから約４インチ、好ましくは約1/2インチから約１イ
ンチの範囲にある。上部と下部の不活性内張りの厚さの
相対比率は本発明にとつて重要ではなく、故に所定の厚
さがあればどのような組み合わせでも使用される。更に
上部から下部に至る内張りの厚さの変化は階段状、階段
状の傾斜、或いはなだらかな勾配など数多くの形状のど
れでも可能である。内張りの厚さが塔底から塔頂にかけ
て増大していれば、形状は重要であるとは考えられな
い。

内張りの厚さが部位によつて異なり、塔底にいくにつ
れて薄くなつていくので反応領域底部により多くの熱が
導入される。内張りの断面積が減少するにつれ、電気抵
抗が増大する。内張りの抵抗が増大すると電流により生
じた熱が内張りを流れる量も増加する。不活性内張りの
上部が厚い（即ち、断面積が大きい）と、発生し、反応
領域の上部に導入される熱は少なくなると考えられる。
故に本発明の実施により反応領域の上部よりも反応領域
の下部により多くの熱を導入することが可能である。

前に述べたように、この付加的な熱が必要とされるの
は反応領域の下部の下側に直接配置された低温ガス分散
領域によつて熱損失がひきおこされるためである。

本発明の実施において反応領域の熱源として機能する
のは不活性内張りである。反応領域への熱は次のように
発生する。即ち不活性内張りに電流を供給し、不活性内
張りに熱を発生させ、その熱を反応領域に伝達する。こ
のような手段の代表例として不活性内張りを横断しての
電圧付加が挙げられる。流動床反応器に所望の熱を供給
するのに必要な電流量は主に所望される熱の量、不活性
内張り特定部位の厚さ及び高さ、そして不活性内張りの
抵抗率によつて決定される。これらの要因は全て、電
流、抵抗、表面積及び出力間の既存の関係によつて説明
される。十分な熱を供給し、流動床反応領域内で反応を
行なうためには、特別な設計を選ばねばならない。例え
ばシランの熱分解に応用する場合、電流は約7,000から
約15,000アンペアの範囲である。

本発明に従つてシランの熱分解に部位によつて厚さの
異なる不活性内張りを使用する場合、不活性内張り上部
の温度を約500℃から約1,400℃に、下部の温度を約500
℃から約1,400℃に保持することが可能である。好まし
くは、上部温度は約550℃から約1,000℃、下部温度は約
550℃から約1,000℃の範囲である。

故に本発明は反応領域を取り巻く不活性内張りによつ
て反応領域に熱が供給されている流動床反応器を提供す
る。不活性内張りは部位によつて厚さが異なり、故に反
応領域の上部よりも底部により多くの熱を供給できるの
が好ましい。不活性内張りに電流を供給することにより
不活性内張りに熱が生じる。このような熱源を使用する
と、反応領域全体の温度がより均一になり、反応領域全
体をより効率よく使用できるようになる。

本発明は添付の図面と共に考究すると、下記の説明に
より一層はつきりとするであろう。これらの図面は単に
本発明の例として提示したものであり、これらにより何
ら限定する意図されるものではない。

第１図はシラン流動床反応器27の略図であり、該反応
器は管路21を経て反応器27の底部に通じている管路23中
のシラン供給原料を熱分解するものである。

該シラン供給原料は管路21を経て反応器27に入り、そ
して矢印29の方向へ反応帯域を上方へ通過するに先立つ
て、管路22中の不活性キヤリヤーガスと併合させられ
る。

シランは流動床26中で熱分解されて、副生物である水
素ガスとケイ素生成物粒子19とを生成し、該水素ガスは
反応器27を出口10のところで排出し、そしてケイ素生成
物粒子は捕集室28内に回収される。熱分解反応はケイ素
粒子15が浮遊している流動床26中で起る。シランは分解
するにつれて、それは、ケイ素粒子15上に沈着してケイ
素生成物粒子19を生長させる原因となる。ケイ素生成物
粒子19は反応器27の底部近傍で捕集室28内で分離し、従
来の装置（図示省略）でこのような捕集室28から取り出
される。

管路21中の供給ガスは、孔25を有する通常のガス分配
器18を経て流動床反応帯域26に流入する。ガス分配器18
は、シラン含有ガスのケイ素への早過ぎる熱分解を防止
するために、反応帯域26よりも低い温度に通常保持され
る。

ケイ素粒子15はケイ素生成物粒子19に成長して反応器
27から取り出されるから、新しいケイ素粒子を管路24を
経て流動床へ導入することが必要である。導管24を経て
入つてくるケイ素種粒子は捕集されたケイ素生成物粒子
19を粉砕または摩砕することにより調製される。

捕集室28内の不活性キヤリヤーガスおよびシラン供給
ガス29の流れは、それが比較的小型のケイ素粒子15を上
方へ移動させるが、捕集室28内における生長したケイ素
生成物粒子19の分離を妨げないように制御される。水素
副生ガスおよびすべての流動ガスは、出口10を経て流動
床反応帯域を出てゆく。

加熱された流動床反応帯域26は反応容器壁13の内側を
黒鉛ライナー14で内張りされている。黒鉛ライナー14は
種々の厚さを有している。黒鉛ライナーの頂部領域11
は、黒鉛ライナーの底部領域16よりも厚い。この厚さの
変化により反応帯域の頂部におけるよりも反応帯域26の
底部に対して、より多量の熱を与えるのを可能としてい
る。ライナー14の断面積が減少するにつれてその抵抗が
増大することにより、黒鉛ライナー14のより薄い部分で
より多量の熱が発生される。電気結線12を通して厚さの
変化する黒鉛ライナー14に電流を流すことにより流動床
反応帯域26に対して熱を供給した。黒鉛ライナー14に流
された電流に熱が発生し、これは黒鉛ライナー壁28を介
して反応帯域26に運ばれる。

黒鉛ライナー14中の電流は、黒鉛ライナーに直接電圧
17を適用することにより供給される。

周囲付近への熱損失は絶縁と容器壁13とにより調節さ
れる。

大量の熱が反応帯域26の下部に都合よく導入される
が、これは反応帯域26よりも低い温度に維持されたガス
配分器18によつて生じた熱損失のためである。

ガス配分器18は管路21を経て入つてくるシラン含有供
給ガスの早過ぎる熱分解を防止するために低い温度に維
持されている。

第２図は第１図に関して記載した流動床反応器27の拡
大断面を示したものである。矢印29の方向へ流れるシラ
ン供給ガスは、熱分解を受けてケイ素粒子15および黒鉛
ライナー14の露出壁28上に沈着する。このケイ素の層30
はケイ素および／または炭化ケイ素の両方を包含するこ
とができる。ケイ素が黒鉛ライナー14上に堆積している
ため、黒鉛とケイ素の間に化学反応が生じて炭化ケイ素
の層30が形成されると信じられる。生成した炭化ケイ素
の層30の上にケイ素の層が堆積するようになることもあ
り得ることである。これの特別な具体例においては、電
圧17が黒鉛ライナー14に直接加えられている。上部11に
おける黒鉛ライナー14は下部16における黒鉛ライナー14
よりも厚い。このことは、黒鉛ライナー14の下部16にお
いて、より大量の熱が発生することを可能とする。この
特別な具体例においては、ケイ素／炭化ケイ素層と黒鉛
ライナー14との密接な接触および電圧17の黒鉛ライナー
14への直接適用によつて電流はケイ素／炭化ケイ素層30
へも供給される。黒鉛ライナー14により、そうしてケイ
素／炭化ケイ素層30中で発生した熱は、反応帯域26へ移
動される。

第３図は第１図と同じ流動床反応器を示したものであ
るが、黒鉛14の形状が異なるものである。図にみられる
如く、第３図において黒鉛ライナー14はその底部16から
その頂部11へ、第１図で画かれたなめらかな勾配よりむ
しろ幾分階段状に厚さを増している。

以下の実施例は、本発明の特別な具体例の例証を目的
としたものであり、決して開示の範囲を限定するもので
はない。

実施例1. 前記の図および発明の詳述に描写された本発明の反応
器および工程は、シラン含有ガスのケイ素への熱分解に
使用される。

流動床反応帯域は床の高さ152.4cmで、床の直径30.5c
mである。流動床反応帯域は、ライナーの底部から頂部
にかけて厚みの増している黒鉛ライナーにより取り囲ま
れている。ライナーは厚さの異なつた３つのセクシヨン
を有している。黒鉛ライナー底部は高さ30.48cm、厚さ
0.65cmを有している。黒鉛ライナー中間部は高さ60.96c
m、厚さ0.96cmを有している。黒鉛ライナーの上部は高
さ60.96cm、厚さ1.275cmを有している。黒鉛ライナーは
反応容器内部に包含されている。

電流発生源により、7,796アンペアーの電流が黒鉛ラ
イナーに供給される。該電流は黒鉛ライナーの頂部、中
間部および下部を通過する。黒鉛ライナーの固有抵抗は
室温で950マイクロオーム−cmであり、黒鉛ライナー下
部の断面積は63.59cm²であり、黒鉛ライナー中間部では
94.84cm²、そうしして黒鉛ライナー上部では127.22cm²
である。

黒鉛ライナー各部によつて発生した熱量は、黒鉛ライ
ナーの特定部分を通過する電流の大きさと、黒鉛ライナ
ー各部の抵抗から計算される。

黒鉛ライナー下部の発生熱量は30キロワツト、 黒鉛ライナー中間部では熱量40キロワツト、 黒鉛ライナー上部では熱量30キロワツトを発生する。
黒鉛ライナーにより発生する熱量は、黒鉛ライナーの所
定の釣合のとれた部分に対して、ライナー底部からライ
ナー頂部に向つて増加する。黒鉛ライナーの底部は、黒
鉛ライナーの上部および中間部の半分の高さである。従
つてライナーの上部および中間部の同程度の大きさの部
分により発生する相対熱は、全中間部および上部による
発生熱の半分、すなわち中間部に対して20キロワツト、
上部に対して15キロワツトである。このように、等しい
高さの黒鉛ライナーの所定の釣合のとれた部分に対し
て、発生した相対熱は、黒鉛ライナーの底部で30キロワ
ツト、中間部で20キロワツト、頂部で15キロワツトであ
る。

本実施例は、黒鉛ライナーの厚さが増加するにつれ
て、黒鉛ライナーにより生ずる熱量が減少することを説
明するものである。熱源としての黒鉛ライナーの使用は
いくつかの目的に役立つ。第一に、黒鉛ライナーが流動
床と直接接触しているため、反応容器壁を通した熱移動
に付随した熱移動による損失は起らない。第二に、黒鉛
ライナーはそれがシラン熱分解反応との関係では比較的
不活性であるために、流動床内部で生じている反応に悪
影響を及ぼさない。最後に、厚さの変化する黒鉛ライナ
ーを使用することは、流動床の頂部に導かれる熱量に比
較してより多くの熱量を流動床底部の近傍に導くことを
可能とする。

本発明の精神および範囲から離れることなく、こゝに
記載され示された好ましい具体例への修正および変更が
可能であることを理解されるべきである。

本発明の要点を以下に総括して示す。

1.（ａ） 流動床粒子を制限し得る流動床反応帯域を定
める手段； （ｂ） 不活性で反応帯域を囲むライナーであつて、該
ライナーはそこを電流が通過するにつれて温度上昇を生
じる導電物質から成るものであり、及び （ｃ） 電流を不活性ライナーに供給し、それによつて
不活性ライナーに、反応帯域へ移動する熱を生じさせる
手段 を包含することを特徴とする改良され加熱された流動床
反応器。

2. 不活性ライナーがその底部におけるよりも頂部にお
いて大きい厚さを有する要点１の改良され加熱された流
動床反応器。

3. 不活性ライナーにより生じた熱量が、ライナーの頂
部において生じた熱よりもライナーの底部において、よ
り大である要点２の改良され加熱された流動床反応器。

4. 流動床粒子がさらにシラン含有ガスのケイ素への熱
分解に有用なケイ素種粒子を含む、要点２の改良された
流動床反応器。

5. 不活性ライナーが、シラン含有ガスの不均一分解の
ケイ素生成物を含有するケイ素コーテイングを有し、該
ケイ素コーテイングは導電性であつて、かつ不活性ライ
ナーからの電流をもまた通過せしめることにより、不活
性ライナーが反応帯域へ移動せしめる熱を生じる、要点
４の改良され加熱された流動床反応器。

6. 不活性ライナー中の電流が不活性ライナーに電圧を
直接加えることにより供給される要点１の改良され加熱
された流動床反応器。

7. 不活性ライナーに直接電圧を加えることにより電流
がケイ素コーテイングに供給される、要点５の改良され
加熱された流動床反応器。

8. 不活性ライナーが黒鉛ライナーである要点７の改良
され加熱された流動床反応器。

9. 不活性ライナーが、シラン含有ガスの不均一分解の
ケイ素生成物と黒鉛ライナーの反応生成物を含有するケ
イ素コーテイングを有し、該ケイ素コーテイングは導電
性であつて、かつ黒鉛ライナーからの電流をもまた通過
せしめることにより、不活性ライナーが反応帯域へ移動
せしめる熱を生ずる、要点８の改良され加熱された流動
床反応器。

10. ケイ素コーテイングが炭化ケイ素を含む要点９の
改良され加熱された流動床反応器。

11. 電圧を直接黒鉛ライナーに加えることによりケイ
素コーテイングに電流が供給される要点９の改良され加
熱された流動床反応器。

12. 電流通過時の不活性ライナー頂部の温度が約500℃
乃至約1400℃の範囲であり、不活性ライナー底部の温度
が約500℃乃至約1400℃の範囲である要点２の改良され
た流動床反応器。

13. 電流通過時の不活性ライナー頂部の温度が約550℃
乃至約1000℃の範囲であり、不活性ライナー底部の温度
が約550℃乃至1000℃の範囲である要点４の改良された
流動床反応器。

14. 電流通過時の黒鉛ライナー頂部の温度が約550℃乃
至約1000℃の範囲であり、黒鉛ライナー底部の温度が約
550℃乃至約1000℃の範囲である要点９の改良された流
動床反応器。

15.（ａ） 反応帯域が不活性ライナーで囲まれ、該不
活性ライナーは電流が通過するにつれて温度が上昇する
導電物質より成り、 （ｂ） 電流を不活性ライナーに供給し、それによつて
不活性ライナーに反応帯域へ移動する熱を生じさせる ことを特徴とする流動床反応帯域の加熱方法。

16. 不活性ライナーが、その底部におけるよりもその
頂部において厚さが大である要点15の方法。

17. 不活性ライナーにより生じた熱量が、ライナーの
頂部において生じた熱量よりもライナーの底部において
より大である要点16の方法。

18. 不活性ライナーに直接電圧を加えることにより不
活性ライナーに電流が供給される要点16の方法。

19. 電流通過時の不活性ライナー頂部の温度が約500℃
乃至1400℃の範囲であり、反応器底部の温度が約500℃
乃至約1400℃の範囲である要点17の方法。

20. 電流が約7000乃至約15,000アンペアーの範囲であ
る要点19の方法。

21. 電流が約7000乃至約15000アンペアーの範囲である
要点12、13または14の改良され加熱された流動床反応
器。

22. 流動床反応帯域において、シラン含有ガスを熱分
解することにより高純度多結晶質ケイ素を製造するに当
り、 （ａ） ケイ素種粒子の流動床においてシラン含有ガス
を不均一的に分解し、該ケイ素粒子の流動床は、電流の
通過するにつれて温度が上昇する導電物質から成る不活
性ライナーにより囲まれており、かつ （ｂ） 電流を不活性ライナーに供給することによつ
て、不活性ライナーに反応帯域へ移動する熱を生じさせ
る ことを特徴とする製造方法。

23. 不活性ライナーがその底部におけるよりもその頂
部において厚さが大である要点22の方法。

24. 不活性ライナーにより生じた熱量が、ライナーの
頂部において生じた熱量よりもライナーの底部におい
て、より大である要点23の方法。

25. 不活性ライナーに直接、電圧を加えることにより
不活性ライナーに電流が供給される要点23の方法。

26. 不活性ライナーが黒鉛ライナーである要点23の方
法。

27. 電流通過時の不活性ライナー頂部における温度が
約550℃乃至約1000℃の範囲であり、不活性ライナー底
部における温度が約550℃乃至約1000℃の範囲である要
点25の方法。

28. 電流が約7000乃至約15000アンペアーの範囲である
要点27の方法。

29. 反応帯域が、シラン含有ガスのシリカへの熱分解
に有用なケイ素粒子を含む要点15の方法。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の内張り流動床反応器の断面図である。 第２図は、不活性の内張りにシリコンが付着した流動床
反応器壁の一部拡大断面図である。 第３図は、本発明の他の内張り流動床反応器の断面図で
ある。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）流動床粒子を閉じ込め得る流動床反
   応帯域を定める手段； （ｂ）反応帯域を囲み、その反応帯域の内容物と接触す
   るライナーであって、該ライナーは反応帯域の内側で起
   こる反応に悪影響を及ぼさない程に充分に不活性であ
   り、そして電流がそこを通過するにつれて温度上昇を生
   じる導電物質から成るものであり、及び、 （ｃ）電流をライナーに供給し、それによってライナー
   に、反応帯域へ移動する熱を生じさせるライナーに接触
   した手段 を包含することを特徴とする加熱された流動床反応器。
2. 【請求項２】（ａ）流動床反応帯域がライナーで囲ま
   れ、該ライナーは反応帯域の内容物と接触し、該ライナ
   ーは反応帯域の内側で起こる反応に悪影響を及ぼさない
   程に充分に不活性であり、電流が通過するにつれて温度
   上昇を生じる導電物質から成り、 （ｂ）電流を不活性ライナーに供給し、それによって不
   活性ライナーに反応帯域へ移動する熱を生じさせる ことを特徴とする流動床反応帯域の加熱方法。
3. 【請求項３】流動床反応帯域において、シラン含有ガス
   を熱分解することにより高純度多結晶質ケイ素を製造す
   る方法において、 （ａ）ケイ素種粒子の流動床にシラン含有ガスを導入し
   て、該シラン含有ガスを不均一的に分解し、この場合該
   ケイ素粒子の流動床は、反応帯域の内容物と接触し、該
   ライナーは反応帯域の内側で起こる反応に悪影響を及ぼ
   さない程に充分に不活性であり、電流が通過するにつれ
   て温度上昇を生じる導電物質から成るライナーにより囲
   まれており、かつ （ｂ）電流をライナーに供給することによって、ライナ
   ーに反応帯域へ移動する熱を生じさせる ことを特徴とする前記高純度多結晶質ケイ素の製造方
   法。