JP4219401B2 - 流動床反応炉におけるシリコン沈積方法及び装置 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は化学的気相成長（ＣＶＤ）反応炉の内側に発生する種粒子にＣＶＤ反応を起こさせるための装置及び方法、さらに特にシリコン担持ガスを固体形式の多結晶シリコンに変換するための改良技術に関している。
定義
この開示の目的のため、本文全体にわたって次の用語を下に与えられた定義に従って使用する。
アモルファス・シリコン：周期律上の原子構造でない固体シリコン。原子が例えば低温で可動性を妨げるようなある理由のために適当に配列される機会を与えられていない時、アモルファス・シリコンが形成される。アモルファス・シリコンは形成の条件次第で水素と化合することができたり、できなかったりする。
死領域（Dead Zone）：流動床を構成する粒子の運動がほとんどまたは全然ない流動床内領域。もし粒子がタンマン温度以上の粒子のように粘着性を有するなら、その粒子は十分な攪拌を欠くことにより死領域で凝集する傾向がある。
濃密相偏析：ベッド空隙率（ε）０．３５〜０．５５である流動床の典型的な型の中で生じるサイズごとの固体粒子の偏析。この型における操作は粒子が個々にというよりむしろ集合的に作用し合うに十分接近し合っていることを意味する。この偏析は流動床ＣＶＤ反応器の中で発生することができ、独自に別の槽を必要としない。流動床の型における状態は典型的によく混合されている。偏析は槽の幾何学的形状によりベッド内に通常存在する、または誘導される速度勾配及び圧力勾配の利用を介して行われる。
稀釈相偏析：空隙率（ε）が０．８を超える空気輸送の典型的な型の中で生じるサイズごとの固体粒子の偏析。この型における操作は粒子が互いに十分離れていることを意味する。０．９９を超える空隙率及び１００より大きい粒子対槽の直径比において粒子は集合的というよりむしろ個々に作用し合う。０．８〜０．９９の空隙率及び１００より小さい粒子対槽の直径比において、それぞれ濃度効果及び壁効果として知られる隣接粒子及び槽壁とのある相互作用、または集団的に妨げられた沈降として知られたある相互作用がある。この偏析は通常流動床反応炉とは別の槽の中で発生し、または反応炉における内部品が偏析のための稀釈領域を創出することを要する。偏析は、Ｒ．Ｈ．ペリー及びＤ．グリーン著、１９８４年マグロー・ヒル（ニューヨーク，ＮＹ）発行のペリーノ化学技術者ハンドブック第６版５−６３〜５−６８頁における「粒子動力学」と題する節の中で十分述べられているように、妨げられた沈降の有無に関係なくストークスの法則または終末速度の利用を介して行われる。
稀釈剤ガス：水素（Ｈ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）及びそれらの混合物により構成されるグループのいずれか。
粒状濾過：通常除去されるべき粒子より大きい粒子のベッドをガス流に通過させることにより行われるガス流からの粒子の除去。粒状濾過の理論はペリーのハンドブック第６版、２０−７５〜２０−８２頁において「ガス・固体分離」と題する節においていくつかの参照を伴って十分述べられている。流動床における粒状濾過の応用は２０−１０４頁に簡単に記載されている。
ハロゲン含有ガス：塩素（Ｃｌ₂）、塩酸（ＨＣｌ）、ヂクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄）、臭素（Ｂｒ₂）、臭酸（ＨＢｒ）、ヂブロモシラン（ＳｉＨ₂Ｂｒ₂）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ₃）、四臭化シリコン（ＳｉＢｒ₄）、沃素（Ｉ₂）、沃酸（ＨＩ）、ヂイオドシラン（ＳｉＨ₂Ｉ₂）、トリイオドシラン（ＳｉＨＩ₃）、四沃化シリコン（ＳｉＩ₄）及びそれらの混合物により構成されるグループのいずれか。
熱光源：ＣＶＤ反応炉の入口の中でシリコン担持ガスにより吸収されるエネルギーが不十分で未熱な分解の原因となるような、そして残余のエネルギーが反応炉内のシリコン・ビーズにより吸収されるような波長の分布を有する、例えばマイクロ波、無線周波数、可視光線、赤外線または紫外線のような可干渉性または非干渉性の電磁放射線。高純度シリコン含有構造材料：単結晶シリコン（Ｓｉ_X）、多結晶シリコン（Ｓｉ）、シリカ（ＳｉＯ₂）、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）被覆グラファイト（Ｃ）及び窒化シリコン（ＳｉＮ）により構成されるグループのいずれか。
ジェット浸透長（Ｐ）：ガス・ジェットが粒子のベッドの中に浸透するであろう距離。上向きのジェットに対してはジェット浸透長は
Ｐ／Ｄ_O＝５２・ｌｏｇ₁₀（ｕ_o・ρ_i ^1/2）−９８．０４６ （１）
のようにオリフィス直径との比として計算される。ただし、
Ｐ＝ジェット浸透長［＝］ｃｍ
Ｄ_O＝オリフィス直径［＝］ｃｍ
ｕ_O＝オリフィス速度［＝］ｃｍ／ｓ
ρ_i＝入口ガス密度［＝］ｇ／ｃｍ³
上記の方程式はゼンズ．Ｆ．Ａ．著「流動化及び流体粒子システム第２巻草稿」ペム・コーポレーション出版（ネルソンヴィル，ＮＹ，１９８９年）１４８頁における第３０図に合わせて作られた曲線式である。
運動動力：単位時間ごとに消費される運動エネルギー。ガス流に対しては運動動力は
Ｐ_K＝Ｇ・ｖ²／２ （２）
のように磨砕に対して数学的に表すことができる。ただし、
Ｇ＝オリフィスを通過する質量流速＝ρ・Ｑ［＝］質量／時間
ρ＝ガス密度［＝］質量／（長さ）³
Ｑ＝オリフィスを通過する体積流量［＝］（長さ）³／時間
ｖ＝オリフィスを通過するガス速度［＝］長さ／時間
ガス速度ｖは
ｖ＝Ｑ／Ｓ （３）
のように体積流量に関係している。ただし、
Ｓ＝オリフィスの横断面積［＝］長さ²
ガス密度は圧縮率に対して変更された理想ガスの方程式により次のように表される。
ρ＝Ｍ・Ｐ／Ｚ・Ｒ・Ｔ （４）
ただし、Ｍ＝分子量［＝］質量／ｍｏｌ
Ｐ＝絶対圧力［＝］力／（長さ）²
Ｚ＝圧縮率［＝］］無次元
Ｒ＝ガス定数［＝］式、例えば８２．０５７ｃｍ³・ａｔｍ／（ｇ−ｍｏｌ・Ｋ）に合致する単位
Ｔ＝絶対温度［＝］温度
そしてオリフィスの横断面は
Ｓ＝（π／４）・Ｄ_O ² （５）
のようにオリフィス直径の関数として表すことができる。ただし、
Ｄ_O＝オリフィス直径［＝］長さ
式（２）に式（３）（４）及び（５）を代入すれば、
Ｐ_K＝８・（Ｒ／π）²・（Ｔ／Ｐ）²・（Ｚ／Ｍ）²・Ｇ³／Ｄ_O ⁴ （６）
第１項は定数である。温度及び圧力は操作者の制御下にある。温度上昇は運動動力を増大させるのに対し、圧力上昇は運動動力を減少させる。圧縮率及び分子量は選択されたガス流物性である。操作条件として重要な圧縮率の増大はガスに対する臨界温度及び圧力に接近する。質量流量は三乗された項に比例する。オリフィス直径は強力な関数であり四乗に反比例する。シリコン担持ガスを変えるような主要なプロセス変更はオリフィス直径を変えることにより補償することができる。最小流動化速度（ｕ_mf）：粒子のベッドを通過する表面的ガス速度。その速度以下では粒子床は静止する。最小流動化速度は次式を使用して計算される。
ｕ_mf＝［ｄ_p／φ］²・［ε³／（１−ε）］・
［ｇ／１８１］・［（ρ_P−ρ_g）／μ_g］ （７）
ただし、ｕ_mf＝最小流動化速度［＝］ｃｍ／ｓ
ｄ_P＝粒子直径［＝］ｃｍ
φ＝粒子球形率［＝］無次元
ε＝ベッド空隙率［＝］無次元
ｇ＝重力の加速度＝９８０ｃｍ／ｓ²
ρ_P＝粒子密度［＝］ｇ／ｃｍ³
ρ_g＝ガス密度［＝］ｇ／ｃｍ³
μ_g＝ガス粘度［＝］ｇ／ｃｍ／ｓ＝Ｐ．
粒子レイノルズ数（Ｒｅ_P）：粘性力に対する慣性力の比を表す無次元グループであり、
Ｒｅ_P＝ρ_g・μ_g・ｄ_P／μ_g （８）
として数学的に（変化しない単位として）計算される。
ただし、Ｒｅ_P＝レイノルズ［＝］無次元
ρ_g＝ガス密度［＝］質量／長さ³
ｕ_g＝表面ガス速度［＝］長さ／時間
ｄ_P＝粒子直径［＝］長さ
μ_g＝ガス粘度［＝］質量／長さ／時間
多結晶シリコン：三次元周期パターンで配列される原子で構成された固体シリコンであり、その中では周期パターンは境界で中断する。
ポプコーニング：不熔融の固体は固体破片及び或液体をはねかける液浴中で熔融するので不熔融の固体の小破裂という好ましくない現象を表すために結晶取出しにおいて使用する用語。このはねかけは潜在的に結晶の欠陥をもたらす単結晶インゴットの上に届く可能性がある。
シリコン担持ガス：シラン（ＳｉＨ₄）、ヂシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）、ヂクロロシラン（ＳｉＨ₂Ｃｌ₂）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ₃）、四塩化シリコン（ＳｉＣｌ₄）、ヂブロモシラン（ＳｉＨ₂Ｂｒ₂）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ₃）、四臭化シリコン（ＳｉＢｒ₄）、ヂイオドシラン（ＳｉＨ₂Ｉ₂）、トリイオドシラン（ＳｉＨＩ₃）、四沃化シリコン（ＳｉＩ₄）及びその混合物により構成されるグループのいずれか。
スリップ被覆粉体：シリカ（ＳｉＯ₂）、シリコン・カーバイド（ＳｉＣ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、炭素（Ｃ）及びその混合物により構成されるグループのいずれか。
沈在噴流ベッド：粒子集団または粒子ベッドが多くの液体物性を発揮するように上向きガス・ジェットにより膨らんだ、そして懸濁した固体粒子集団。ジェットは粒子が流れに乗り、急速に上昇するが乳濁液の表面から離れない稀釈相、またはジェットの上の粒子ベッドの深さのためにジェットを囲む（奔流ベッドの典型的な）濃密層を形成する。この現象がすべてのガス分配グリッドにおける入口ジェットに対して存在する間、それはガスの単一の上向き入口ジェットがある時通常小さく、無視され、最適である。
タンマン温度：固体の表面が活動中に顕著な変化を示す、例えば表面反応速度が典型的に著しく増大し、シリコン・ビードが粘着性を帯びるようになる時の温度。タンマン温度は材料の絶対熔融温度の５２％として数学的に概算できる。
テーパー付き領域：槽直径が閉じ込められた流動床の中で濃密層偏析を可能にするため高さの増大とともに増大するように槽壁が構成された流動床反応炉の一部分。
搬送解放高さ（ＴＤＨ）：固体流動床の表面からの距離であり、その距離以上になると粒子伴流はもはや減少せず、ガス速度プロフィルは安定化してしまい、そして有効表面速度はベッド横断面領域により分離したベッド面から離れる体積ガス流として考えることができる。ＴＤＨはゼンズ．Ｆ．Ａ．及びウェール．Ｎ．Ａ．著「Ａ．Ｉ．ｃｈ．Ｅ．Ｊ．４，４７２（１９５８）で述べられ、そして流動化の本文及び論説でしばしば引用されたゼンズ及びウェールの方法を使用して計算できる。
発明の概要
すでに達成された目的でスタートするだけで重要でない改良を行う代わりに特有の目的を達成するため、好まれる製品及びプロセスの定義をここに述べる。粒状の製品多結晶シリコンは、より大きいサイズの方に最も有利にゆがめられた、可能な限り狭い粒度分布を有し、およそ１〜３ｍｍの、可能な限り大きい平均粒子サイズを持つべきである。ビーズは丸く（球状で）、輝き（高結晶性）、ごみのないものであり、ずんぐりした多結晶シリコンと同じアクセプター／ドーナー、金属、及び炭素の要求事項に合致し、結晶取出し装置におけるポプコーニングを避けるため低水素含有量を持つべきである。プロセスはもし可能なら、コスト効果があり、エネルギー効率が高く、頑丈で、操作容易、自動化容易、制御容易であり、自己修正が可能で、不純物を導入せず、単一の反応炉の中で行うべきである。より明確にいえば、プロセスは大きいビーズの選定的排除を伴う内部的自己種生成性及び分離性を持ち、ビーズの水素汚染を避け、そして汚染することなく製品を排除して一まとめにする方法を持つべきである。
高純度シリコン及び類似の材料は半導体装置の生産に拡大使用される。高純度シリコンは典型的に例えば実質的にすべての不純物を除去するために精製されたシラン、ヂクロロシラン、トリクロロシラン、またはトリブロモシランのようなシリコン担持ガスの熱分解により得られる。熱分解は加熱表面の上で完了し、その表面ではその後シリコン担持ガスから離れた元素のシリコンで被覆される。このプロセスは化学気相成長（ＣＶＤ）と呼ばれている。汚染の導入を避けるため、始動のまたはＣＶＤが起こる種生成の表面がまた高純度シリコンで作られることが望ましい。標準的工業技術であるホット・ワイヤまたはジーメンス反応炉は種表面として高純度ロッドを使用する。この技術は設備費としてもランニング・コストとしても高くつくので、改良技術を採用することが望ましい。流動床反応炉は加熱シリコンの広い表面積をシリコン担持ガスと接触させる可能性を提供する。テスト及びフル・スケールの流動床反応炉が電子工学グレードのシリコンの生産のため作られてきたが、従来技術は苛酷な操作上の及び純度上の問題を抱えており、熱効率及びシリコン変換効率をフルに実現しなかった。
流動床反応炉に対する技術は固体の反応性または触媒性の粒子に反応性ガスと接触させるためのコスト効果性の手段として石油化学工業において発展してきた。その商業的成功はこの技術のシリコン析着への適用の探求に結び付いた。シリコン担持化合物をシリコン粒子に析着させることに関する多くの特許が取られてきた。シリコン担持化合物を含むガスはシリコン担持化合物を分解するのに十分高い温度、典型的には４００〜１２００℃でシリコン種粒子の流動床を通過する。元素のシリコンがその時種粒子に析着し、種粒子それによりサイズを増大させる。しかしながら、粒子ベッドが元素のシリコンの生産のために使用される時、操作及び純度が大きな実際上の困難とぶつかる。ベッド中のシリコン粒子が成長する時、粒子が凝集物を形成するため互いにくっつき合う傾向がある。粒子はまた反応炉壁、反応炉内部品、及び粒子支持物またはガス分配グリッドを含む反応炉内の他のすべての表面にくっつく。そのような析着物または凝集物は反応炉またはグリッドが析着シリコンまたはシリコン粒子で詰まる原因となり、反応炉の連続操作を妨げる。反応炉壁の腐食、稀釈ガスまたは添加種粒子による汚染、及び製品シリコン・ビーズの収穫と取扱いはすべてシリコンを不純にするかもしれない。シリコン・ビーズの使用はまず第一にチョクラルスキーの結晶取出し装置における単結晶シリコン・インゴットの成長のためである。そのような取出し装置はビーズを取り扱うための能力、ビーズの表面汚染、ビーズの水素含有量汚染、熔融におけるビーズの挙動に関する特別の要求事項を持つ。梶本等の米国特許第５，０３７，５０３号に記載されているように、これらの論点を解決するために多くの努力が払われた。研究者たちはかくして大きな困難に遭遇してきたが、大部分は石油化学製品における成功（有機または炭素ベースの製品の生産）からシリコン生産までの流動床の移送の技術を基礎となす鍵となる論点のいくつかがその分野の熟練者にとってさえ明白ではないからである。
流動床反応炉の発展は微細な触媒粒子の摩滅を最小にすることに集中した流体触媒分溜装置の発展とともに石油化学工業に端を発した。
重油生産物の流動コークス化の発展とともに石油化学工業においてはまた他の仕事もなされた。例えばレッファーは彼の米国特許第２，６０６，１４４号においてそのような流動コークス化装置のことを記載している。
この流動床技術が石油化学工業から多結晶シリコンの生産に移行した時、それとともに或隠された仮定が移行した。その仮定はすなわち、微細な摩滅が望ましいこと、反応炉自身の中で摩滅するのは望ましくないこと、及び微細な種粒子が適当であろうと言うことであった。類似の技術が熱分解炭素層を原子核燃料粒子に析着する方法としてゼネラル・アトミックの米国特許第４，０８０，９１７号においてブラウン等により展開された。この技術はまたシリコン流動床反応炉のための技術を発展させるのに利用されたが、再び、それは固有的に新しい種を形成するためのシリコン粒子の慎重な破壊を避けている。ダンロップ等のＣＥＰ，５４，３９（１９５８）による流動コークス化装置用の種を形成するためのジェットを使用するのに仕事がなされ、そこでは標的及びジェットの有無に関係なく反応炉の内側で粒子が磨砕され、しかし、これはイヤの米国特許第４，４２４，１９９号が出るまで多結晶シリコン技術には使用されなかったことは留意すべきである。種を外部から準備する従来技術は種が或磨砕技術により発生するコンテナーから汚染される結果をもたらす。シリコンの生産において使用するための高純度の種を発生させる問題は、シラン熱分解反応炉の分離ブーツの中の稀釈粒子流中への下向きのガスのジェットを示す米国特許第４，４２４，１９９号中でイヤにより認められており、その技術ではビーズが互いに衝突し、微粉を形成することになる。主要なシリコン担持ガス流はブーツの上に噴射され、反応炉中で上向き、そして種の発生のためには決して使用されない。その代わり、稀釈ガスのやや高速のジェットがノズルを介して反対方向に向けられる。
少量の非常に小さい種を添加または創生することにより反応炉中で平均粒子サイズを制御することは困難であり、バッチ処理をする時にはさらにより困難でさえある。種の成長期間は日のオーダーとすることができ、反応炉中のプロセス条件の変化は時間のオーダーで起こることができる。かくして反応炉中で粒子サイズを制御することは固有的に非常に困難であり、これまで如何にこのような制御が達成され得るかについての報告がなく、また重要なパラメータについての報告さえもない。
本発明は分配器の代わりに単一の入口ジェットを使用するシリコン担持のソース・ガスを使用して流動床反応炉中のシリコン・ビーズに固体シリコンを析着するための改良技術を提供する。その際シリコン担持ソース・ガスのジェットは新しい種を構成するより小さい粒子を形成するため反応炉の入口領域中のシリコン・ビーズの小さい部分を粉砕するために使用され、その新しい種にさらなる成長がその後起こるかもしれない。流入ガスの運動エネルギーは、望まれる量の粒子を粉砕するのに十分なように制御され、しかし平均的に作られた粒子サイズを望まれるサイズ以下に小さくしながら過剰の粒子が粉砕するほど大きくはない。入口ジェットは、入口領域の大きいビーズが連続的に循環し、そのためもし大きいビーズが最小流動化速度以下のガス速度にも拘わらずすべての重要な時間帯に対して安定しているとすれば凝集するであろうように凝集する傾向がないように潜り奔流領域を与えるようにデザインされている。
種発生量はジェットにより浪費される運動動力を調整することにより狭い範囲内にオンラインで制御することができる。動力が増大するに従って、より多くの、そしてより小さい種が創出される。運動動力は質量または体積流の増大により増大することができ、かくして温度上昇に伴って増大するが、圧力上昇に伴って減少する。運動動力はまた例えば稀釈により入口ガス物性を変化させることによって変化することができる。しかしながら、種生成における大きな変化がオリフィスの変更、オンラインでなすことのできない変化を要求する。生成する種の数は収穫されるビーズの数に等しくなければならない。これは運動動力に対して質量流速制御の賢明な使用を要求する。なぜならシリコン担持ガスの増大する質量流速はまたより多くのシリコンを反応炉に添加することにより材料バランスに直接の影響を持つからである。これは本来正しく数量バランスを維持するために或付加的粉砕を要求する。適当なデザインにより種は連続的にそして内部的に発生するので、種を噴射するためにどうしても運転を中断するという必要はなく、かくして数量バランスの混乱を避けることになる。かくして、種での不純物の導入と反応炉中の数量バランスの外的制御の問題は両方とも単純な方法で処理される。従来の流動床に関連した付加的問題は種として流動床に添加されている小粒子からの産物として除去されるべき大粒子を偏析するための効果的な方法はないということである。すなわち、流動床から除去された産物は小さい種粒子の望まれる量より大きい量での幅広い粒度分布を持つ。イングルは反応炉内部品の複雑な配置により反応炉のベースからより大きい粒子を除去する間、種粒子を連続的に循環することが意図されている米国特許第４，４１６，９１３号の中でこのことを認めた。
イングルにより示された技術はコークス化装置においてレッファーにより使用された技術に類似であると考えることができ、それは明らかにストークスの法則を利用して粒子を流れに乗せることに依存しており、そのことは稀釈偏析に対してのみ適用可能である。或研究者により参照される、ビーズを分離するための終末速度の使用はまた稀釈偏析である。日立製作所のウテオによる日本特許出願、特願昭５８−２０４８１４はまた高さで速度変化を与えるため反応炉に対して変更された円錐形状を使用して微細な、そして重い粒子の混合物からの微細な粒子を流れに乗せることを伴う非常に類似なアプローチを使用した。ウテオの操作はやはり小粒子が本質的に独立して挙動している極度の稀釈偏析の型のものである。稀釈偏析は好まれるアプローチではない。なぜなら粒子間の大きな偏析及び粒子間距離に関連する粒子の下方の表面積が好ましくない副産物、すなわちアモルファス・シリコンの粉塵または粉末の形成を促進するからである。偏析ガスは非常に純粋で、反応炉温度付近でなければならない。この偏析ガスは通常稀釈剤であり、常に反応炉中のシリコン担持ガスを稀釈する。加えてかなり補助的な装置がこの多量の稀釈剤ガスを移動させ、加熱し、そして精製する必要があり、反応炉系の効率を引き下げ、そしてプロセス全体のコストを引き上げる。
イングルのデザインはまた反応炉中の内部品の数のために実用的見地に悩んでいる。その内部品のすべては常に下記のようにシリコンで被覆されるのが常であったのである。これらの内部品は稀釈偏析に対して内側槽を創出するための努力であるように見える。運転の改良への試みにおいて、イングルはマイクロ波が種粒子に直接結合し得るので好ましい加熱装置としてマイクロ波の使用に留意している。
イヤは米国特許第４，４２４，１９９号において内部品というよりむしろ反応炉の底部で種生成槽をブーツにすることによりイングルの偏析の概念に改良を施した。種生成はシリコン担持ガスの入口の下方で行われるので、下向きのジェットのためのノズル及びブーツの壁はイングルの内部品に比べてシリコン被覆を施す対象とはなりにくい。その特許は反応炉というよりむしろ産物中に種を入れることを避けるためのシーズのバッチ生成を暗示しており、連続偏析は効果的でないことを示している。
従来システムはおそらくなれ親しみのために上に引用された問題を持つ稀釈相偏析を使用している。濃密相偏析はむしろ一般的ではないが、高純度多結晶シリコンの生産の現適用には必要である。濃密相偏析の使用は産物の付加的取扱いからの汚染及び稀釈相偏析に使用される偏析ガスからの汚染を避ける。付加的槽の設備費並びに大きな運転コスト及び偏析ガスを処理し、そして精製する努力はまた避けられる。
従来の流動床は典型的には円筒壁を持つ濃密相、良好混合床としてデザインされてきた。かくして、ガスが反応炉を上昇するに従ってどの点のガスの圧力もガスの上にのしかかる高さがより少ないので低下する。ガスの体積及び速度は増大し、速度プロフィルは速度がガス入口データからの距離の増大とともに増大するように設定される。このようなデザインにおいては、速度プロフィルは正である。すなわち速度は入データから距離が増大するに従って増大する。これはサイズによる粒子の偏析よりはむしろ良好な混合を与える。
本発明に従って濃密相偏析を達成させるため、速度プロフィルは負となるように選ばれる。すなわち、高さが増大するに従って速度は低下する。これは高さが増大するに従って直径が増大するような方法で反応炉の壁にテーパーをつけることによりなされる。さらに特に、横断面積はカラムのすべての点の上向きガス速度がその丁度下の点より小さくなるように体積流増大より早く増大する。これは負の速度プロフィルと呼ばれる。このようなデザインにおいては、より大きい粒子はそれらが摩擦による対流に類似したメカニズムにおいて他の粒子により押しつけられるに従ってその領域の底部へゆっくりと分離する。より小さい粒子は類似のメカニズムにより反応炉の頂部に移動する傾向にあるだろう。かくして、時間経過後、ベッドは速度がより高いベッドの低部により大きい粒子、そして速度がより低いベッドの高部により小さい粒子が集まるように分離するだろう。この分離技術は、従来技術におけるように稀釈相メカニズムでなく、濃密相メカニズムに依存し、ストークスの法則及び他の稀釈相偏析メカニズムは適用されない。入口領域のすぐ上のそのようなテーパー断面の使用は有利である。なぜなら、それは、より小さい種粒子が産物とともに離れる底部領域に戻る前により大きく成長する機会を持つ反応炉のさらに上方に進行するため、より小さい種粒子が入口領域で生成するのを促進するからである。同時に、貯槽部分で成長したそれらの粒子は、より大きな粒子が入口領域中に進入し、反応炉を出る前にシリコンの最終析着を受けるように、栓流でテーパー領域を通過して下降するだろう。このデザインは比較的大きい粒子のより狭いサイズ分布を生み出すだろう。そして両方とも望ましいのである。
反応炉の上部全体をテーパーにすることは可能である。しかしながら、もしこれを行うと、小さい微細粒子はすべて反応炉の頂部へ行くだろう。シリコンを担持する種の濃度は反応炉の頂部に向かって減っていくので、反応炉の頂部における小粒子はより大きいサイズの粒子に成長するのが困難となり得る。さらに反応炉の直径を頂部以外よりも頂部でかなり大きくすることが必要であり、かくして反応炉のコストを増大させ得る。次に、反応炉の上部は、テーパー部分が最終析着が発生する底部領域に入る前に粒子を分離するために使用された後、速度プロフィルが再び正となる基本的に円筒形状に戻ることは最良である。正の速度プロフィルはベッドの上部を混合し、反応炉の頂部で他のケースより大きい平均粒子サイズを与える。かくして、すべての粒子はこの良好混合領域の中で循環し、成長のための等しい機会を持ち得る。さらに比較的小さい直径の実質的に円筒の形状の構造はより大きい直径の完全にテーパーの形状のそれによりコスト的に有意義により安価である。
テーパー領域の今一つの望ましい結果は入口領域でジェットの端部に形成される泡が反応炉の壁と広範囲に接触することなく反応炉の上方へ続くことである。これは、シリコンを担持する種の濃度が乳濁物または濃密相より泡または稀釈相の方が高いと期待されるので、反応炉の壁に析着したシリコンの量を減らすだろう。かくして壁析着は、入口ジェット・データの上方の反応炉の高さが増大するほど、シリコン担持ガス濃度が減少するような、テーパーの適当なデザインにより或程度制御することができる。壁析着はさらに以下に論議する。
析着の方法は二重である。下方の入口領域において、特にジェットにおいて、シリコン担持ガスが粒子の表面に吸収され、次にそこでガスは分解し、シリコンの破片が析着し、残りが水素の副産出物とともにその表面を離れるという重要な異質の反応がある。固体反応産出物の核化を伴う異質の反応はガス相で起こり、小さい（５〜７００ｍｍ）アモルファス・シリコン粒子の形成をもたらす。これらのアモルファス・シリコシ粒子はそれらが粒状濾過機構により濾過される入口ジェットの上方の反応炉ベッドを介して上方へ移動する。濾過されたシリコン粒子はシリコン・ビーズ粒状濾過媒体の上で再結晶化し、多結晶シリコン・ビーズの見分けのつかない部分となる。これは析着の第二の方法を構成する。
ジェットはまた比較的大きい（１００〜１０００μｍ）種粒子を形成し、そのほとんどがまたジェットにより流れに乗り、ビーズ貯槽中に搬送され、かくして大きい産出物から小さいビーズを分離する。入口領域上方のビーズ貯槽の中の種は入口シリコン担持ガスのより高い濃度により近い種より遅い速度で成長する。上方の領域の粒子が成長するに従ってそれら粒子はより低い領域に戻って行き、かくしてサイズによる粒子の偏析が起こる。
アモルファス・シリコン粉末または粉塵の一部はガス及びビーズが循環するに従ってビーズを介してジェットから外に再循環する。この粉末はビーズとともに底部でジェットに再び入り、異質の析着により成長する。大量の小さい粉塵粒子の存在は均質な核化を抑えるよう作用し、形成される粒子のサイズを増大させる。これは重要な性質である。なぜなら、より大きい粉塵粒子はベッドの上方領域において濾過するのが容易であるからである。
主要な運転上の問題となる、材料バランスにおける大きい損失はこのアモルファス粉塵または粉末の形成であった。このアモルファス・シリコンは、特にもし従来システムのほとんどにおけるように短いベッドが使用されるなら、反応炉を離れ、壁に析着するかもしれないガス除去システムの中へ続き、そして反応炉の下流側で種々の運転上の問題の原因となる。このシリコンの損失は反応炉の変換効率を低下させ、運転コストを増大させる。
アモルファス・シリコンの生成と流出は一つの問題として認められてきた。この問題を処理する典型的な方法は例えばイヤの米国特許第４，６８４，５１３号に記載されているようにアモルファス・シリコンの形成を減らすための水素または不活性ガスでのシリコン担持ガスの稀釈の使用であった。他の方法は、アレンの米国特許第４，８６８，０１３号に記載されているように、全部でないシランが反応するように低温で運転すること、次に水素を噴射して温度を急激に下げることにより反応炉の出口でシランの分解反応を急冷することを含んでいる。第一の解決法の不利な点は付加的ガスが反応炉に供給されなければならず、このガスはまず精製しないのであれば汚染物を含む可能性が最も高いことである。反応炉はシリコンの与えられた生産量に対してより大きくなければならず、エネルギー消費量は稀釈ガスを反応温度まで加熱する必要があるお陰で増大するだろう。
第二の急冷の解決法の不利な点は付加的ガスが急冷のために供給されなければならず、反応しないシランが処分されるかリサイクルされなければならず、再びプロセス全体のコストを増大させることである。今一つの不利な点は急冷ガスによる汚染物質の反応炉への導入、または稀釈ガスのための付加的精製ステップの必要性である。なぜなら、そのような稀釈ガスは例えば一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素及び水のような汚染物質を含むことが知られているからである。シリコン・ベッドの頂部の上方に噴射されたガスはシリコンを汚染することができないようにみえる限り、これは搬送解除高さ（ＴＤＨ）の効果を無視する。ＴＤＨは数フィートの高さとすることができ、粒子が投入され得てベッドへなお返送され得るベッド上方の高さである。急冷ガスを通過して次に反応炉に返送される粒子は最初は酸化シリコンであると期待される汚染物質層で被覆される。純粋なシリコンは酸素に対する極度に効果的なゲッターであり、水、酸素、一酸化炭素及び二酸化炭素からそれを取り除くことができることが熱力学的平衡から知られている。シリコンのさらなる析着と結合する複雑な薄い酸化物層の形成は成長するビーズの中で水素のようなガスをトラップすることができる。シリコンと酸化シリコンの境界は水素の外側拡散への拡散障壁としての役をする。これは特により小さい粒子に関する問題であるかもしれない。なぜなら、ひとたび水素がビーズの正しく中心でトラップされると、それは粒子から出るために多くの拡散障壁を通過しなければならないからである。
シリコン・ビーズの生産において遭遇する今一つの粉塵関連の問題はビーズに随伴する大量の粉塵であった。これらの粉塵粒子は高い表面積を有する非常に小さく、したがって極度に汚染する傾向がある。ゴートローは彼の米国特許第４，８８３，６８７号において二つの運転モードを推奨している。すなわち早い析着と遅い析着である。早いモードにおいて、高濃度のシラン（約１０モル％の水素）が反応炉に供給され、流動床を形成するシラン・ビーズの表面に粘着する大量の粉塵を発生させる。低濃度のシラン（１〜５モル％の水素）が反応炉に供給され、多結晶シリコンで粘着した粉塵層を効果的にシールし、かくして粉塵が反応炉から逃げ出すのを防ぐ遅いモードがこれに続く。析着のより遅いモードに切り換えなければならないことは製品シリコンの処理量を低下させ、運転コストを増大させ、そして稀釈物質からの汚染を増大させる。
シリコン・ビーズの水素汚染の問題はエチル・コーポレーションのブーン及びアレンにより彼等の欧州特許第０３７７９００号及び米国特許第５，２４２，６７１号にそれぞれ述べられており、そこで彼等は彼等のビーズから水素を除去するため特別に分離した脱水素反応炉を提案している。大阪チタニウムの梶本等により取られた今一つの解決法、米国特許第５，０３７，５０３号は同じ目的のため結晶取出し装置に脱水素装置を設けた。これがなされなかったら、ビーズの或破片が加熱時に破裂し、或液体を運ぶビーズの部分がるつぼの回りにはねかかる原因となるだろう。このポップコーニング効果は極度に好ましくなく、この挙動を示す多結晶シリコンを販売することの不可能性とそれ故の付加的脱水素反応炉の必要性をもたらす結果となるだろう。このような付加的外側反応炉を設けることは勿論高価である。なぜならその付加的反応炉を設けて運転しなければならず、ビーズは所定温度まで再び上げなければならず、流動ガスは有意義な温度まで上げなければならないからである。脱水素の温度は代表的には８５０℃〜１１００℃である。勿論この脱水素処理の間特に表面にビーズの付加的汚染の可能性がある。
二つの現象、シリコン結晶化及び粒状濾過の認識はこの分野における従来システムに関する問題のほとんどが問題から利益に変換されるのを可能にする。まず、Ａ．Ｍ．ビア等による論文「アモルファスにより形成されるＣＶＤシリコン構造及び結晶成長」、結晶成長誌６４（１９８３年）５６３〜５７１頁、において、高い成長速度において析着の温度は結晶化が析着を持続させるのを可能にするために高くなければならないことが示されている。このタイプの反応炉の底部において望まれる２〜３μｍ／ｍｉｎオーダーの早い結晶化及び成長速度に対し、ビーズ温度は水素なしで結晶成長を行わせるため８００℃を超えなければならない。７２０℃以下の温度に対しては、水素がそれと結合したアモルファス成長があるだろう。そしてこれらの温度の中間では水素なしのアモルファス成長があるだろう。十分高い温度での析着反応炉の運転は第二の脱水素の反応炉または装置の必要性を避ける。第二に、ガス相において形成されるアモルファス粒子は高温での流動化粒状濾過を使用して高いベッドの中で濾過することができる。次に捕捉されたアモルファス・シリコンは低い析着速度と長い滞留時間のために７００℃を超える温度で再結晶化され、多結晶シリコン・ベッドの見分けのつかない部分となる。
高温の今一つの機能は、ひとだびより大きいベッド粒子にくっついた小さいアモルファス・シリコン粉塵粒子がその際除去することができず、流動床の除去の際掃除することに寄与することができないほど粒子が十分粘着性を持つことを確実にすることである。これは複雑なプロセス相及び付加的装置の必要性を避けるだろう。
入口領域のビーズの温度を８００℃以上に保持し、そして下記の新規な熱伝達方法によりビーズをその温度に保持することにより、ビーズに析着するシリコンは低水素含有量の多結晶であろう。過去において、もしシリコン担持ガスが分解するなら、結晶性シリコンはビーズに析着するだろうということがまちがって仮定されてきた。従来システムにおけるビーズはあまりに冷たかった。なぜなら、たとえ巨大なベッドの温度が７００℃のオーダーであったとしても、シリコン含有ガスの分解を避けるための分配板または噴射器の冷却は最高のシリコン含有ガス濃度の位置でのビーズの温度を４００℃〜６００℃までに低下したからである。これはあまりに低いので、水素はシリコンに結合し、シリコンはアモルファス形式で、すなわち明るく、輝いた銀色の代わりに褐色のほこり色に析着する。これらは反応炉を離れるビーズであり、脱水素及び脱粉塵を必要とする。
例えば米国特許第４，９００，４１１号（プーング等）には、７００℃での内径４８ｍｍ×高さ１０００ｍｍの反応炉のような従来システムにおいて使用される低温での短いベッドにより、粉末は濾過される前にベッドから逃げ出すことが記載されている。
本発明の改良されたデザインにおいては、テーパー領域及び貯槽領域はアモルファス・シリコン粉塵がガスとともに反応炉を上方に移動する時、アモルファス・シリコン粉塵を捕捉する粘着ビードとともに粒状フィルターとして作用する。粘着性については後述する。アモルファス・シリコン粉末が捕捉されて再結晶化するため、反応炉は反応炉効率の損失の恐れもなく高いシリコン含有ガス濃度及び高い温度で運転することができる。
反応していないシリコン含有ガスのルーチン・トレース噴射物（非常に小さいと期待される）及び上記のようにテーパー付き及びビード貯槽部分において粒状濾過の効率にまず依存するだろう反応炉からの微細なアモルファス・シリコン粒子の損失を処理するための今一つのプロセスが与えられる。反応性シリコン含有ガス及びアモルファス・シリコン粉末の濃度は、結果として生じるシリコン・水素・ハロゲン比が配管中に存在する温度及び圧力でシリコンをエッチングするためのものであるように、ハロゲン化ガスを出口管中に噴射することにより制御することができる。このようなエッチングはほとんどまたはすべてのアモルファス・シリコン粉末を除去し、例えば四塩化シリコン、シリコン・トリクロロシラン、ヂクロロシラン等のようなハロゲン化ガス、または噴射されたハロゲン化ガスに依存する他のガスを形成する。噴射されるガスは塩素、塩化水素、四塩化シリコン、または他のハロゲンを含むそれらの等価物とすることができよう。次にこのようなガスは決められた方法でそのシステムを介してプラントの他の部分に再導入またはリサイクルすることができる。代案として、それらのガスは抜き出して適当な技術により洗浄してもよい。ハロゲン含有ガスの選択は通常のプラント・プロセス全体の統合及び質量バランスを考慮して命令されるだろう。
テキサス・インストルメンツのブロチャー等は米国特許第４，１１７，０９４号において一般式（ＳｉＣｌ₂）ｎの爆発性塩化シリコン重合体の形成及び温度を下げることによりそれらを避ける手段の形成に留意した。アモルファス・シリコンをエッチングするためのハロゲン含有ガスの添加はまたシリコン・水素・ハロゲン比及び下流側システムの温度の選択によりこれらの重合物問題を避けることができる。このような計算はガス相中のＳｉＣｌ₂モノマーの濃度を最小にすることにより化学平衡の計算に通じている者により行うことができる。一般に温度は早い変換を維持している間、平衡を改良するため４５０℃〜７５０℃に制御されるだろう。
ベッドの低い部分において反応速度を制御し、粒子上の酸化物膜の形成を避けるため酸素含有材料をゲッタリングし、そして下に論議する粒子のレイノルズ数Ｒｅｐに順次影響する例えば粘度及び密度のような入口ガス物性を変更するためのさらに一つのプロセスを提供している。このプロセスは、例えば四塩化シリコンのようなハロゲン化したシリコン含有ガス、または入口ガス流量の０〜５ｍｏｌ％という低比率でハロゲン化シリコン含有化合物を形成するためシリコン含有ガスと反応するハロゲン含有化合物の噴射により構成される。反応速度は、例えばＳｉＨ₂に対するＳｉＣｌ₂の代用のような、析着における中間種の変更により制御される。ＳｉＣｌ₂の存在は反応炉の底部で受入れ可能である。なぜなら、それは反応の中間生成物として早く消費され、流動床を出ないだろうからである。水素拡散障壁の形成はガス相における酸化シリコン粒子の形成を介してすべての酸素含有材料のゲッタリングにより防がれる。これは、酸化物粉塵が膜としてでなく、粒子として統合されるので、粒子上の連続的酸化シリコン膜の形成を避けるだろう。四塩化シリコンとしてのそのような高分子量の噴射は流動化の期間有利となり得る反応炉中の粘度及び密度を増大させるだろう。
シリコン塊と比較したシリコン・ビーズの主要な利点は結晶取出し装置へのピーズの連続的添加に対する可能性である。正しい速度で連続的にビーズを供給することは、もしビーズが球状でほとんど同一サイズであれば、非常に容易となる。球形度及び粒度分布は過去において直接言及されなかった。ビーズは非常に球形度を欠く傾向があり、幅広い粒度分布を持つ傾向があった。より小さいビーズはより大きいビーズより球形度が小さいことさえある。ビーズの破片である種から球形のビーズを生産するため、自己補正メカニズムがビーズ粒子の丸みの少ない、または偏球の部分にシリコンを選択的に析着するために必要である。シリコンは偏球側に析着するので、その側は丸みが付いてきて、次に他の平らな部分を被覆するため回転するだろう。
そのような自己補正メカニズムは空気力学理論の応用及び優先的析着領域の知識により数学的に記述することができる。ベッカーはペリーの化学技術者ハンドブック第６版５−６４〜５−６５頁、特に表５−２１で引用されたＣａｎ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．，３７，８５−９１頁（１９５９）において粒子レイノルズ数により制御される粒子の自由落下配向を報告している。析着（物質移動）はゼンズ及びオスマーにより４６７〜４６８頁、特に第１４．２図に述べられている。テーパー付き壁の使用及びそれに続くガス速度に対するその効果並びにその結果として起こるサイズごとの偏析により、粒子レイノルズ数Ｒｅｐはまた反応炉中で或程度制御することができる。反応炉から出る球状粒子を持つことは非常に重要である。したがって、より高い粒子レイノルズ数が反応炉の底部の近くで最も望ましい。高ガス速度、大粒子及び高密度ガスは粒子レイノルズ数を増大させ、非常に粘性のあるガスはそれを低下させる。
シリコン含有ガス並びに稀釈物質の量及び種の選択はこの自己補正効果が作用する最小粒子サイズに影響するだろう。球状ビーズに対する最悪の組合せは、特にシランが分解する際により多くの水素が発生するので、水素で稀釈されたシランである。反応炉の頂部はその場合およそ１００％の水素であるらしく、そして良好混合ベッドはより球形度の高い大粒子で混合された球形度の非常に小さい小ビーズを生産することを期待されたものである。より球形度の高い生産物を得るため、粒子レイノルズ数が高析着領域において５．５〜２００であるように運転パラメータを選択することと同様に底部から小粒子を偏析することは重要である。上記の情報を与えられたそのようなシステムの設計はその技術分野に通じた者にとつて簡単である。
材料が粘着性を帯びる温度はタンマン温度と呼ばれ、絶対熔融温度の５２％と概算することができる。１４１０℃の熔融温度を持つシリコンに対して、タンマン温度は約６０２℃である。すなわち、正しくほとんどすべてのシリコン析着特許が最小温度として示してきた温度範囲にある。これらの析着温度においてシリコン析着物は固の粘着性を持つ。
シリコンは金属酸化物を減らすことができるので、金属に形成されるすべてのシリコン析着物は、酸化シリコン（シリカ）及び金属を形成するため、下に横たわる金属酸化物と反応するだろう。金属は順次シリコンを介して拡散する珪化物を形成するためシリカを介してシリコン中に拡散することができる。かくしてシリコンは下に横たわる面と非常に強い化学的結合力を形成し、それを介して金属の移行を可能にする。
粒子粘着性は分配器において詰まらせる効果を持つだろう。そしてベッド中の粒子の凝集に際して粒子は互いにぶつかり合う十分な速度で運動することを止めるべきである。また、ベッド内部品は反応炉に粘着する粘着性物質により固有的に覆われるだろう。壁に強固に粘着する固体シリコンの壁析着物はシリコン流動床反応炉中に形成し、それは冷却時に壁に損害を与える傾向があるか、またはもしシリコンより強い金属壁が使用されるなら、シリコンは薄くはがれて金属汚染物を運び去るだろう。
これは特に１兆分の１０パーツ（ｐｐｔ）のオーダーという非常に低い金属特性のため高純度シリコン析着において問題である。高温及びハロゲン化ガス物質の使用とともに潜在的に汚染性の壁析着物の形成は反応炉並びに関連の弁及び配管の構造に対する標準化学処理工業金属技術の成功的使用に対して支配する。これはリングにより米国特許第３，０１２，８６１号において早くから認められ、そして反応炉金属として高純度石英の使用を推奨したイングル等により米国特許第４，４１６，９１３号において、またその他の者の間で、くり返しいわれた。石英の利点はそれが例外的に純粋であり、勿論酸化シリコンであり、かくして石英のすべての汚染は金属よりむしろシリコン及び酸素を加えるだろうということである。酸素に対する現行の特性は１００万分の低いパーツの範囲である。酸素はすべてのシリコンの面に、特に酸素にさらされてきた面に、本来の酸化物として存在する。熱分解炭素工業から取られる構造の他の材料は、例えばシリコン・カーバイド被覆グラファイトのようなグラファイトまたは焼結シリコン・カーバイドに関し変動があった。両材料とも類似の汚染移動の問題を受けている。従来システムの主要な問題は分配器の閉塞であり、それはベッドの容量を減らし、補修や交換のために運転停止を必要とし、そしてしばしば反応炉をこわしてきた。この問題を制御するための努力は米国特許第４，６８４，５１３号においてイヤにより、そして米国特許第４，９００，４１１号においてプーング等により述べられているように、分配器を冷却することである。類似の問題は反応炉の壁にシリコンが析着することであり、米国特許第３，９６３，８３８号におけるセッティ等により述べられた温度サイクリング、そして米国特許第４，９００，４１１号におけるプーング等により述べられた壁の冷却により開示されている。これらの努力は反応炉システムに対して重要な熱効率、そして同じ多結晶シリコン処理量に対して意味深く（４倍）大きいマイクロ波発生装置に結び付いた。一般に流動床において、泡は潜りジェットの先端において形成し、これらの泡は、もしその領域が泡の形成を確実にするような方法でデザインされているなら、潜りジェットの上方の領域に発泡流動床を形成する。これらの技術はその技術分野に通じている者に知られており、最小流動速度ｕ_mfの計算を含んでいる。もしこの速度を超えると、ベッドの領域は流動し、粒子はおよそグループとして運動する傾向を持つだろう。そして速度が最小流動速度を超えるのに十分であるなら、粒子は互いに粘着しないだろう。
本発明の反応炉の中では如何なる種類の内部装置も必要としない。したがって、そのような内部装置での析着の可能性がない。例えば、シリコンが沈殿するかまたは種々の凝集が成長し始める可能性のある粒子支持分配板はない。そのためその結果生じる熱効率の低いその板を冷却する必要がない。シリコン含有ガスは反応炉の底部の単一ノズルから流動床に入る。かくして、そのような反応炉に対して必要な熱量を提供するため種々の加熱システムを利用することが可能である。イヤの米国特許第４，６８４，５１３号及びプーング等の米国特許第４，９００，４１１号を論議する際に前述したように、壁析着を減らすため反応炉壁よりも高い温度まで種及びベッド粒子を加熱することが望ましい。イヤもプーング等もベッドを加熱し、それから壁を活発に冷却することにより、このことを行った。
壁よりも高い温度までベッドを加熱することは高温シリコン・ビーズとともに低温入口ジェットの境界面において、またはその近くに多量の熱を供給することにより最も好都合に行われた。これは、流入ガスがそれを反応炉の運転温度まで加熱するための大きい熱要求量を持つ、反応炉の底部において熱を集中させている。ビーズは流入ガスを迅速に加熱するが、それ自身冷却し、再加熱しなければならない。シリコン含有ガス濃度が最も高く、そして分解及び析着の大部分が行われるジェット領域においてビーズ温度を高く保持するため可能な限りジェットの近くでビーズを再加熱することが望ましい。ガス入口において壁析着を最小にするため高温ビーズと接触する前に流入するシリコン含有ガスを過剰に加熱するのを避けることは重要である。
先行特許はシリコン壁析着にマイクロ波を或程度浸透させるため壁を活発に冷却するマイクロ波を使用してきた。しかし冷却は効率の低いエネルギー使用を招いた。冷却を減らす試みは温度が上昇するに従って壁析着物による壁温度上昇及びマイクロ波エネルギーの大きな吸収というせっぱつまった状況を招き、そのことが壁付近の増大する反応速度から壁温度のさらなる上昇及び壁厚みの増大を招く。温度が高いほど吸収度が高いというこの現象は、シリコンの電気伝導度が温度上昇とともに増大するので、壁析着物を通るマイクロ波の浸透量の低下により引き起こされる。
これに関する本発明の工夫はシリコン含有ガスを過熱することなくビーズを加熱するような方法で反応炉へのガス入口で必要エネルギーを噴射することである。このことは、シリコン含有ガスはエネルギーの大部分を通しやすいがシリコン・ビーズはエネルギーを効果的に吸収するような周波数分布の電磁エネルギーの集中ビームを使用することにより行うことができる。シリコン含有ガス及び多結晶シリコンのスペクトルは知られており、また測定可能であり、そのためガスが吸収する周波数はエネルギーがシリコン・ビーズにより吸収される間避けることができる。例えば、１０．６ミクロンにおける二酸化炭素（ＣＯ₂）レーザー放射はトリクロロシラン反応炉では使用することができるが、シラン反応炉では使用することができない。なぜなら、シランはこの周波数において電磁エネルギーを吸収するからである。１．０６４ミクロンにおけるネオジム・イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）・レーザー放射はトリクロロシランまたはシランのどちらかで使用することができる。レーザーは管理しやすく、狭い周波数分布を持つ一方、比較的効率が低く、購入及び運転するのに高くつく。今一つの解決法は適当なリフレクター、フィルター及びレンズを持つ１個以上の高インテンシティ石英−ハロゲンまたはキセノンランプを使用することである。これらは典型的に高効率（２５〜４０％）を持ち、安価であるが、４００〜１０００時間のオーダーの短寿命である。かくしてランプが運転を中断することなく決まった方法で取り換えられるような装置が必要である。
シランに対しては、塩素または塩化水素とともにシランまたはシリコン・ビーズを反応させることにより化学的に熱を供給することが可能である。シランの流量の約２．５％はシランを４００℃から８５０℃まで加熱するのに十分な熱を供給するため塩素と反応するだろう。ハロゲン化シリコン化合物の添加は反応速度及びガス粘度の制御に関して既に論議されている。それはまたシリコン含有ガス入口付近の壁析着物の成長を防止することと同様に電磁エネルギーの添加のため噴射管先端をきれいに保つことにおいて有用である。かくして元素のハロゼンの添加が反応熱を供給することの付加的利点が得られる。
さらに反応炉の上ではガス及びビーズはともに同じ温度である。そのため唯一の熱要求量は反応炉の壁を通じての熱損失を償うために必要な熱量である。この熱要求量は初期加熱のために供給されるものと常に同じであるすべての手近な熱源により供給することができる。
この熱の分布はかくして反応炉中の種々の循環パターンを知っている、当業者によりデザインされ得る。従来の流動床においては、混合は領域加熱を困難にする。一つ以上の領域がある本発明においては、最適の反応炉性能に必要な温度勾配を確立することが必要である場所に熱を供給することが可能である。かくして温度勾配は従来システムの高いエネルギーペナルティーもなく確立することができる。壁からの熱損失は二重壁構造を介しての「エア・ギャップ」を利用することにより、そして例えばアルミニウム／シリカ繊維のような断熱材の使用により有意義に減らすことができる。その断熱材はマイクロ波を通しやすいが熱伝達に高い抵抗となり、すなわち低熱伝導度を持つ。二重壁プラス断熱材の組合せは、断熱材が石英を貫いて通過することができる例えばナトリウムのような汚染物質の根源であるので、望ましい。二重壁の使用はまたギャップからナトリウム及び他の汚染物質を一掃するためガスのパージ流れの使用を可能にする。エア・ギャップを横切る温度降下はまた断熱材のピーク温度を低下させ、そのことが次に蒸気圧力及び断熱材自身の中の汚染物質の蒸気相濃度を低下させる。
反応炉の壁の或程度の活発な冷却を考慮し、そのためプーング等により示唆されたような壁を横切るより大きい温度プロフィルを与えることは可能である。壁上のシリコンの析着物は流動床と壁との間の温度の違いに関連して知られているので、そのような冷却は濃度勾配及び前述の流動状態と結合してシリコン析着物厚みを制御するのに望ましいかもしれない。シリコン担持の種の濃度が高い反応炉の底部において、比較的低温の壁はそうでなければ厚くなりそうな領域におけるシリコン壁析着物の厚みを減らす。シリコン担持の種の濃度が低い反応炉の頂部において、シリコンが壁に保護的析着物を形成するようにベッドに等しいまたはそれより高い壁温度を持つことはより望ましい。
壁の望ましい温度プロフィルを発生させるべく反応炉壁と外壁またはシラウドとの間に上記のパージ・ガス流れを採用することは熱伝達の技術における専門家にとって可能である。イヤ及びプーング等はすべてのシリコン析着物の存在を少しでも避けるため壁を活発に冷却することを示唆したが、これは壁の断熱材により得られるものに比べて極度に高いエネルギー入力をもたらし、そして活発な冷却を避ける結果となった。また、流動床による壁のエロージョンがシリコンよりも壁材料の方のエロージョンを招き、そのことが生産物の汚染につながりかねなかった。壁のシリコン層は高純度シリコン・ビーズと反応炉の壁との間に高純度障壁を与える。その障壁はたとえ高純度材料であってもビーズの高純度シリコンまたは壁析着物ではなく、生産物に有毒であるかもしれない不純物を含むだろう。かくして、シリコンの薄壁が反応炉の壁の障壁として望ましい。壁の析着物は破壊することなく反応炉を冷却するためハロゲン含有ガスを使用してエッチングすることができる。
壁析着物を減らす別の方法はシリコン担持の種を壁から引き離しておくこと、及びベッドから壁への熱伝達を減らすことである。循環がジェットにより誘発される入口領域において、壁はビーズの下方移動スクリーンにより保護される。テーパーガ付き領域において、ベッドは泡が反応炉直径より小さい発泡の型の中で作用する。上方のビーズ貯槽領域において、低いシリコン析着速度及び比較的高いエロージョンの領域で保護的シリコン壁析着物を形成するためスラッギング状態が許される。
典型的な運転停止のシナリオにおいて、シリコン含有ガス濃度及びベッド高さは漸進的に減り、流動ガスの増大する流量により補償されたものである。シリコン含有ガス流れ（それ自身多くの酸素含有種の効果的ゲッターである）の遮断の直前に、ハロゲン含有物質が、破壊を避けるため冷却前に、反応炉にエッチングを施すため前述のように噴射される。この技術は酸素をゲッタリングするガスが常に反応炉の内側に存在することを確実にする。酸素膜の回避は反応炉内側のシリコン壁析着物のより早いエッチングを施し、反応炉の再始動の前に除去されなければならない、反応炉の内側のシリカの微細なフィラメント状の流動物の形成を防ぐ。
この解決法がどんな理由のためにも実行可能でないかもしれない場合、製品材料が取り除かれた後シリコンまたは他の材料の別のベッドが反応炉中に設けられる別の解決法を使用することができる。その際このベッドはシリコン壁析着物に形成される酸化シリコン層を攪拌し、摩滅するために使用される。後者の解決法は好ましくないが、ハロゲン含有材料が時を得た基準で噴射されない予想外の運転停止の場合に実行可能である。
従来システムの今一つの問題は入口温度、典型的には３５０℃〜４５０℃まで流入ガスを加熱すべく反応炉から十分の熱を回収することを欠くことである。そのような熱回収は加熱及び冷却要求量を減らし、かくして運転コストを低減することができる。
大きい製品ビーズを除去しながら冷却するためのプロセスが流入シリコン含有ガスを予熱するためビーズ中の熱を使用しながら提供され、かくしてプロセスの全エネルギー要求量を低減する。この技術は反応炉の入口の周囲に配置された環状熱交換器を使用して実行することができる。さらに特別に、シリコン含有ガスを運ぶ中央噴射器チューブが反応炉の入口ノズルの内側に設けられる。その中央チューブの周囲の環状部においてビーズの流れがビーズの粘着または凝集を避けるような方法で、そして流入シリコン担持ガスに熱を伝達するために、連続的に除去される。
特に、シリコン含有ガスの入口ノズルのデザインは流出するビーズからシリコン含有ガスへの熱伝達を許容する限りノズルの内側のシリコンの析着を防ぐのに非常に重要である。そのようなノズルは、真空であり、または不活性ガスで埋め戻されてもよいギャップが外側ビーズから壁を介してシリコン含有ガスの中への熱媒体を減らすような二重壁構造を使用することによりデザインすることができる。これは内側壁温度をシリコン含有ガスの分解温度以下に保持すべきであり、かくして入口チューブの中のシリコン壁析着物を防ぐ。熱分解するシリコン分解ガスに対し、この温度は４００℃〜６００℃の範囲内にある。壁温度が析着を受けないで実行可能な高さであることは熱伝達の見地から有利である。これは「エア」・ギャップの距離を変えることにより最も好都合に配置される。「エア」・ギャップが熱交換器の頂部においてより大きい場所では、外側のより高温のビーズからの熱伝達は内側壁温度が一定のままであり得るような方法で減速され、かくしてシリコン含有ガスへの熱伝達を最大にし、そして壁への析着を開始することなくビーズの冷却を最大にする。
ビーズが約５００℃まで冷却された時、二重壁接近を中断し、かくしてもし二重壁が続けられたら実行可能であったろうよりも早い熱伝達速度を許容することは或長さの後に有利である。熱交換器なしに反応炉をデザインすること、またはビーズがより大きいギャップを使用し、そしてより長期間そのギャップを継続することにより冷却されないようにそれをデザインすることは実行可能である。そのような解決法は、もし付加的ビーズ処理ステップが、ビーズ温度が比較的高い温度に維持されることを要する析着反応炉の下に望まれるなら、望ましい。
システムの全エネルギー効率を維持するための代案デザインは反応炉の頂部からの流出ガスで流入シリコン含有ガスを予熱することである。流出流れを使用することは反応炉の一体部分としてそれをデザインすることが特に実用的でないような広表面熱交換器を必要とする。かくして反応炉に入るシリコン含有ガス温度は高温のため入口ジョイントをシールするのに困難を伴ってより高くなければならない。このデザインは製品ビーズの熱容量が入口温度を望まれる温度まで上げるのに不十分であるシリコン含有ガスに対して最良である。
ビーズ外観及び／または純度を変更する必要があるかもしれないような付加的処理ステップを提供するため反応炉の下に今一つのプロセスを与えることができる。上方の反応炉と下方の製品仕上げ室の間の通路はビーズが下方の室の中に定常速度で落ちるような降下管として使用される。圧力バランスを使用して、下方の室の中に他のガスを供給し、次に反応炉に入る前記他のガスの重要な量もなく前記他のガスを抜き出すことは実行可能である。そのようなステップは、表面に移動した表面不純物を減らすためビーズのエッチングを施し、ビーズの内部構造を再結晶化し、またはビーズを単純な焼鈍のためのより長い時間中より高い温度に保持して水素の最終除去のために使用され得よう。
個別のコンテナーの中に詰め込むことにより反応炉からビーズを連続的に除去することを可能にするため、脱ガス器及びビーズ・ダイバーターが提案された。脱ガス器は二重の目的に役立つ。それは詰込みの前にビーズ流れから反応炉ガスを除去し、反応炉からのビーズの流出を制御する。反応炉の底部の熱交換器により冷却されたビーズは熱交換器から脱ガス器への緻密相流れとして移動する。ビーズは死領域なしにビーズを円滑に流れさせるようデザインされている脱ガス器の中で固定床を形成する。脱ガス器及びビーズ・ダイバーターの壁は非汚染材料で作られるべきである。不シリコン含有ガスは処方された量のビーズを次の垂直脱ガス器チューブまたはビーズ・ダイバーターの中へ移動させるため脱ガス器のガス・ポートの中へ量的にも時間的にもそして周期的にも規則的に脈打つように流れる。ビーズが脱ガス器を下降する際、反応炉ガスは不活性ガスで置換され、ビーズがビーズ・ダイバーターから上昇しながら分離した不活性ガス流れを介して下降する間、脱ガス器の頂部から抜き出される。
ビーズ流れ及びオンライン粒子サイズが最もよく計測され、如何なる表面処理も達成されるのは垂直脱ガス器チューブの中においてである。例えば反応炉及び移送槽の計量セル、円筒形の移送槽に目盛を使用する体積計測、マイクロ波秤、または超音波秤のような固体流計測の非接触法を使用してもよい。オンライン粒子サイズ分析は石英壁の透過を利用して非接触光学的方法で行うのが最良である。表面を円滑にし、そして丸くするため高インテンシティの光またはレーザーを使用する表面処理はまた再び石英壁の透過を利用して非接触である。
ビーズ・ダイバーターはチューブの底の近くに導入される不活性抜出しガスとともに垂直チューブまたは垂直に近いチューブの頂部に向かって反応炉ガスのすべてを含む流れの中にシリコン・ビーズを受ける。ビーズは不活性ガスを介して緻密相または稀釈相として落下し、ビーズからすべての残留反応炉ガスを効果的に抜き出し、チューブの底部のシリコン・ビーズの小さいポケットに到着する。他の種々のチューブはシリコン・ビーズを受けるよう意図された槽に向かって垂直管の底部から放射状に伸び出す。不活性ガスは槽が満たしているものを除き全放射状チューブの中に導入され、ビーズをその意図された目的地に向かって移動される。
短い放射状分流路の後でビーズは１個以上のガス抜き弁を介して垂直チューブまたは垂直に近いチューブを通して落下する。これらの弁はシリコン・ビーズを通さない他の放射状チューブでは閉鎖してよい。また不活性ガスはもしガス隔離が必要でないなら弁を通過してもよい。ビーズは槽が受け入れられる充満レベルに到達するまで不活性雰囲気の下に受入れ槽の中に続き、ガスは圧力または流量制御抜出し口を介して流出する。充満レベルに到達した時、不活性ガス流は増大し、抜出し口は閉じ、別の槽はビード流れを第一槽から第二槽へ切り換えるため同時に、またはほぼ同時に開く。残りのビーズが垂直チューブを落下した短時間の後、ガス抜き弁は閉じ、ガス抜出し速度はその槽が他の位置への移送のため外され得るように内圧を維持するため増大する。
したがって、製品ビーズが均一に大きく、輝きがあり、丸く、そして水素、粉塵及び他の汚染物質を含まない粒状形式にて高純度多結晶シリコンを生産するための低価格、効率的な流動床反応炉システムを提供することが本発明の主目的である。そのプロセスにおいて種粒子は流動床に添加されないが、その代わり汚染なしに流動床中で発生する。また、大粒子の偏析は緻密相として流動床自身の内側で行われる。
本発明の今一つの主目的は、水素の統合を避けながら多結晶のシリコン製品の中で再結晶化することにより均一なガス相の反応を介して発生するアモルファス・シリコンを統合することであり、かくして反応炉デザインの中に水素除去を一体化し、そして第二の脱水素反応炉または装置の必要を避けている。加えて、本発明は製品シリコンの汚染なしに反応炉からの製品シリコンの除去のための方法を提供する。
本発明の他の目的は不シリコン担持ガスの添加を最小にすること、分配器を冷却することなく分配器プレートの閉塞と関連した問題を排除する反応炉システムを提供すること、そして製品ビーズにおける狭い粒子サイズ領域を生み出すことである。さらなる目的は下流側の配管及び装置の閉塞を避けること及び流入ガスを予熱するために必要な熱量の大部分を回収することである。
本発明の今一つの目的はシリコン担持物質の析着を起こしそうな反応炉中内部構造物の設置を避けること及び反応炉の破壊を避けるために形成され得るようなシリコン析着物を管理または除去することである。
概要的には、本発明は大きい、均一な、丸みのある、輝いた、高純度多結晶シリコン・ビーズを生産するための装置及び方法に関している。反応炉は例えば石英のような高純度シリコン含有材料により作られ、２〜３個の領域、すなわち、入口領域及び垂直に配置されたビーズ貯槽領域で区分される。いくつかの実施例において、第三のテーパー付き領域がそれらの間に設けられる。反応炉の周囲のシラウドは汚染及び熱障壁として作用する。入口領域は反応炉の直径とほぼ同じ高さであり、ジェットは反応炉の底部における入口ポートを介して流入する入口シリコン担持ガスにより形成される。テーパー付き領域はサイズによるビーズの分離を達成するために必要なように入口領域の高さの約２または３倍である。ビーズ貯槽領域は下方の二つの領域の容積の少なくとも３〜５倍である。
反応炉の機能は、いくつかは主に特定の領域で発生するとはいえ、一体化している。入口領域は、ジェットが種物質を形成するためこの領域で大きいビーズの或部分を磨砕するので、内部の種発生を起こさせ、その際種物質は反応炉を上昇して他の二つの領域に移動する。（反応炉の運転に依存して、磨砕はまた別の一つの領域で、またはビーズと反応炉の壁との間の接触によりビーズ間で行われてもよい。）負の速度プロフィルを持つテーパー付き領域は狭い粒度分布を持つ大きい平均粒子直径を備えたシリコン・ビーズを収穫するのに必要な緻密相で内部偏析を促進する。大きいビーズは栓流で下降し、これに対し小さいビーズ及びガスは上昇する。或程度の析着がたとえシリコン担持ガス濃度が低くても、粒状の濾過により、及びＣＶＤによりこの領域において行われる。ビーズ貯槽領域は高温で粘着性ビーズ上に入口領域において形成されたアモルファス・シリコンの粒状濾過のための滞留時間及び、空間を提供する。アモルファス・シリコンはシリコン・ビーズの見分けのつかない部分を形成するため反応炉の至る所で、しかし特にビーズ貯槽領域で高温で再結晶化する。或程度のスラッギングがこの良好混合領域で起こる。
入口領域はシリコン担持ガスの最高濃度を持ち、最高分解及び析着速度はこの領域で起こる。ＣＶＤによる析着は、たとえ入口シリコン担持ガスの多くがアモルファス・シリコンを形成するためガス相において分解するとしても、ここで行われる。高い循環速度がこの領域をよく混合された状態に保持する。ビーズはガス入口チューブを介してジェットへの直接の化学的または光のエネルギーの噴射により高温に維持される。前記光のエネルギーはガスにより吸収されず、ジェット中の固体ビーズによってのみ吸収される。高温は水素を統合することなく結晶形式でシリコンの析着に備え、かくして分離した脱水素プロセスを不必要にする。ビーズは析着が優先的にビーズの最も平らな表面に起こる粒子レイノルズ数を十分高く保持するためガス密度及び粒子サイズを制御することによりこの領域で丸く作られる。
閉塞は分配グリットを含むすべての内部構造物を持たないことにより避けられる。ハロゲン含有ガスはガスがシリコン担持ガス生産設備へリサイクルされる反応炉の頂部の反応炉ガス出口において残留シリコン担持ガス及び過剰粉末を消化するために噴射される。
ビーズは反応炉の底部において除去され、流入シリコン担持ガスで冷却される。そのガスはこうして予熱される。例えば必要ならさらなる分離、ポリッシング、または焼鈍のような付加的ビーズ処理ステップが反応炉の底部抜出しチューブにおいて許される。ビーズ流れ制御され、ビーズは脱ガス器の中で反応ガス抜きをされる。ビーズはビーズ・ダイバーターにより移送槽へ導かれる。
【図面の簡単な説明】
図面において、
第１図はシリコンの生産のための流動床反応炉の垂直縦断面概念図である。
第２図は本発明による反応炉の垂直縦断面概略図である。
第３図は第６図または第７図のＡ−Ａラインに沿った横断面である。
第４図は第２図のＢ−Ｂラインに沿った横断面である。
第５図は第２図のＣ−Ｃラインに沿った横断面である。
第６図は一体化を外した熱交換器を備えた第２図の反応炉の入口領域、ガス噴射器及びビーズ出口の拡大垂直縦断面概略図であり、ビーズ出口は０°＜Ａ＜６５°のテーパーを持っている。
第７図は一体化した熱交換器を備えた第２図の反応炉の入口領域、ガス噴射器及びビーズ出口の拡大垂直縦断面概略図であり、ビーズ出口は０°＜Ａ＜６５°のテーパーを持っている。
第８図はビーズ脱ガス器、粒子計測及び処理システム、ビーズ・分流組立品、取出しビーズ・分流弁及び排出可能貯蔵コンテナーを持つビーズ排出システムの垂直概念図である。
第９図は取出しビーズ・分流弁の垂直縦断面概略図である。
第１０図はオンライン粒子計測システムの垂直縦断面概略図である。
第１１図は製品ビーズの表面を加熱するための高インテンシティの光のソースを持つ粒子処理システムの垂直縦断面概略図である。
第１２図は稀釈剤及び／または不活性ガスから酸素添加化合物を除去するためのシステムの概略的線図である。
第１３図は反応炉の高さに対する反応炉の粒子サイズ及び断面直径の関係を示すプロット図である。
第１４図は入口上方の種々の高さにおける反応炉における粒度分布のプロット図である。
詳細な説明
第１図は従来のシラン反応炉を１０で概略的に図示したものであり、その反応炉は副産物の水素を生産するため１１で示す、反応炉に流入する超高純度シラン供給材料を処理し、水素は１２から出て行き、シリコン製品粒子３は１４から回収される。熱分解反応が流動床１３の中で起こり、その中でシリコン粒子３３が懸濁する。流動床は、流動床１３の中でシランが粒子３３に析着するシリコンを生産するために分解して、シリコン粒子が成長して大きくなるようにする温度まで、適当な熱源３５により加熱される。流動床の中のシリコン粒子が大きくなるに従って、シリコン粒子はもはや流動することができなくなるサイズに到達し、流動床１３からの成長シリコン製品粒子３を受けるようデザインされているブーツ分離室１５の中に流動床から下降する。ガス１６、例えば水素がブーツ分離室の底部の穴開き部材１８により導入される。ガス１６の流れは、ガス１６がシリコンの比較的小さい種サイズの粒子を上方に搬送し、しかし成長したシリコン製品粒子の下向き運動で妨害しないように制御される。小さい種サイズの粒子はブーツ分離室の頂部１９を通って搬送され、種粒子として流動床に入る。そのような小さい粒子は流動床における反応の間成長し、大きくなってシリコン製品粒子としてブーツ分離室１５の中へ下降する。
種粒子を発生させる方法はブーツ分離室１５の中へのチューブ２０の設置からなっている。チューブ２０の端部のノズル２２は下方向に向いている。好ましくは水素であるが、他の不活性ガスで例えばアルゴンまたはヘリウムまたは供給シランの一部でさえあってもよい、適当な流体２１がその際チューブ２０により導入され、ブーツ分離室１５の中の下向きの高速ジェットとしてノズル２２から出る。流体ジェット出口ノズル２２は乱流を起こさせ、ブーツ分離室１５の中のシリコン製品粒子の一部が互いに衝突してそれによりシリコンのより小さい種サイズ粒子に粉砕されるよう移動する。上向き流動ガス１６は発生した種サイズのシリコン粒子を上方へ、そしてブーツ分離室１５の頂部１９を経由して流動床１３の中へ搬送する。ノズル２２からの流体ジェットはブーツ分離室１５の中の成長製品粒子が種サイズのシリコン粒子を発生させるため互いに摩滅し、粉砕し合うようにする。この技術は製品の如何なる人手による操作も排除し、流動床のすぐ下で必要とするような種サイズの材料を発生させる。
この流体ジェット・シリコンの種粒子発生装置の運転は好ましくは間欠的な方法で行われる。すなわち、流体ジェット種発生装置は反応炉中の流動床のための種サイズ粒子を発生させるため、反応炉の運転時間の一部、例えば１時間に対して１５分の時間で運転することができる。その際反応炉はこの種材料に対し懸濁材料全部の粒子サイズが増大するように作用し、それにより製品１４として排出するのに適当であるより大きい粒子を発生させる。次にこの製品材料は排出することができ、別のバッチの種材料を発生させることができる。シラン熱分解反応炉自身は製品材料の周期的排出及び種材料の周期的発生を伴う連続モードで運転される。好まれてはいないが、流体ジェット発生装置が種材料を連続ベースで発生させるため連続運転することは可能である。しかしながら、そのような連続運転はシリコン製品粒子１４の排出での干渉の見地からそれほど魅力的ではない。優先的には、流体ジェットは或微細物を発生させるために短時間運転するのがよいだろう。それら微細物はその際流動床部分で流動して成長し、より大きい粒子が発生する。より大きい発生粒子の一部は製品として排出され、次に種材料が再度発生するだろう。
流動床の中のガス速度は最小流動速度と知られている条件により粒子の直径及びガスの物性に通常関係している。そして反応炉の中の速度は典型的には最小流動速度の２〜６倍の範囲にある。これらのより高い流動レベル、そして最小流動速度の２〜６倍における運転は粒子の凝集及び反応炉の連続運転で干渉する重要な問題を持つ粒子支持板２６の閉塞を防ぐことを通常必要とする。粒子支持板の閉塞は特に面倒である。なぜならそれは究極的に反応炉全体を閉塞し、極度に除去困難な大きいシリコン析着物を形成するからである。例えば石英またはシリコン・カーバイドのような高純度材料で構成される大抵の反応炉に対してこの閉塞は冷却時によく反応炉を破壊することがある。
排出チューブ２４またはブーツ分離室１５のデザインは、反応炉からのシリコン含有材料の流出を防ぐ目的に適うことのできる対立するガス流を提供し、そしてまたより小さい粒子からのより大きい粒子の分離を試みるような方法とすることができる。このことについての以前の試みは時々ブーツと呼ばれている排出チューブの中の分離に依存している。この排出は小さい粒子と大きい粒子の間の沈降速度の違いに依存している。しかしながら、粒子が個々の粒子としてよりも全体として作用する傾向があることは流動床の特徴であり、そのため、例外的に粒子が実質的に互いに独立しているような大量のガスが使用されるのでなければ、この方法で有意義な分離を得ることは例外的に困難である。そのような大量のガスの使用は精製された水素のリサイクルを必要とするが、そのような精製及びリサイクルのための設備は高価であり、汚染が起こりやすい。
第２図〜第７図は本発明による基本的な反応炉システムを示す。このシステムは反応炉１０１、シラウド１２７及び外側収納システム１１０を有している。反応炉はシリコン・ビーズ１０２のベッドを内蔵するための複数の領域を持つチャンバー１０３を限定する壁１１１を備えている。図示の実施例では、これらは入口領域１１６、テーパー付き領域１１８、貯槽領域１２０及び解放領域１２２を含んでいる。図示されたテーパー付き領域１１８及び貯槽領域１２０は上方領域としてここで参照される領域の一部である。外側収納システム１１０は高温表面から人を保護するために設けられ、反応炉に対する第三の外槽であり、周囲の雰囲気からの加熱システムである。シラウド１２７は反応炉からの加熱システムの間の汚染障壁として役立ち、何かの理由で反応炉壁１１１が破壊したら起こるかもしれない漏洩の第二の外槽として役立つ。
本発明による反応炉は、ベッド１０２を運転温度まで加熱するため、反応炉壁１１１からの熱損失に対して補償するため、及び流入ガス１１３，１１５，１４３にプロセス熱を供給してそのガスを運転温度まで加熱するため、加熱システムを持っている。チャンバーの中のビーズはシリコンにシリコン担持ガスからビーズに析着させるに十分な少なくとも５００℃の運転温度に維持されることを必要とする。熱源の選択はその目的、位置及び反応炉用構造材料の選択に関係していることは次の論議から理解できる。図示された反応炉加熱システムはジェット加熱装置、すなわち高輝度ライト141、酸化ガス143、及び壁加熱システム、すなわちマイクロ波または赤外線熱源128、抵抗ヒーター129により構成されている。熱入力のための特定の位置は反応炉の壁１１１及びガス入口チューブ１３１により限定されるガス入口通路１３０であり、その入口通路１３０は入口チューブ１３１の頂部の流動床入口１０４を経由して反応炉の中へシリコン担持ガスを送るために位置決めされている。
ジェット加熱装置、すなわち高輝度ライト141及び／または酸化ガス143の使用は反応炉の構造材料の選択のリストを広げる。ジェット加熱装置なしのシステムにおいては、壁加熱システムがプロセス熱全部を流入ガスに与えなければならず、そのことはより大きい熱フラックス、より高い壁温度、そして反応炉にスケールが溜まってきた時はより厚いシリコン壁をもたらす。
ベッドを初期加熱し、そして熱損失に対して補償する目的は第２図及び第５図に示すように低コストの信頼し得る抵抗ヒーター１２９により容易に達成することができる。このヒーターは高い始動の動力に対して低い設備費、そして低い運転コストに向けての大きな下降という利益を持つ。
プロセス熱要求は反応炉の底部にある。入口領域１１６の中のビーズが、ビーズの水素含有量を減らし、そしてビーズ全体の多結晶構造を促進するため、シリコンがビーズに析着する間、７００℃〜１２００℃の温度に維持される時、最良の結果が得られる。この領域の壁を通す抵抗加熱は高い壁温度のため良い選択ではないが、マイクロ波または赤外線熱源１２８及びジェット加熱装置、すなわち高輝度ライト141及び／または酸化ガス143は良い選択である。壁１１１を通してのマイクロ波加熱は、ベッドの中への望まれる浸透を達成させるため反応炉のベースの入口領域１１６において壁１１１の活発な冷却を必要とするかもしれないが、これは集中領域においてはコスト効果がある。赤外線加熱はマイクロ波加熱のようにベッド中へ浸透しないが、複雑さが少なく、高価ではない。マイクロ波及び赤外線加熱は如何なる与えられた場所においても相互に排他的である。ジェット加熱は有利である。なぜなら熱は反応炉の中央に噴射されるからである。しかしそれは設置及び運転するのに高価であるかもしれない。マイクロ波か赤外線加熱装置１２８のどちらか一方と、ジェット加熱装置のどちらか一方または両方とは第２図及び第４図に示す実施例では同時に運転することができる。第４図はシラウド１２７と外側収納システム１１０の外側金属シェルとの間の完全な空洞１１２が断熱材１４０で充填されることのできるマイクロ波領域システムを示す。この断熱材は実質的にマイクロ波を通しやすいものであるべきである。酸化アルミニウムと二酸化シリコンの混合物から製造された断熱材がこの目的に対して効果的であることは知られている。特に入口領域１１６における外側収納システム１１０はまた例えば水ジャケットで活発に冷却することができる。
上方領域１１８，１２０においては、抵抗ヒーター１２９は第５図に示すように、ヒーターと外側シェル１１０との間の断熱材１４０とともにシラウド１２７と直接隣接して設けられている。上方領域１１８，１２０はビーズが、ビーズの水素含有量を減らし、そしてビーズ全体の多結晶構造を促進するため、１〜２４時間７００℃〜１２００℃の温度でその領域に保持されるようにサイズ決めをし、形状決めをし、そして加熱すべきである。最良の解決法は、入口領域１１６に対してジェット加熱装置の最適形状及びマイクロ波ソースからのマイクロ波を、そして上方領域１１８，１２０に対して抵抗ヒーター１２９を使用することである。
サンプル・ラインにより反応炉壁１１１とシラウド１２７の間の環状の空間または空洞１０９に接続された熱伝導度検出器（ＴＣＤ）が反応炉からのプロセス・ガスの如何なる漏洩も検出するために使用されることができる。もし熱伝達及び純度の目的を達成するのに最良である石英が反応炉壁１１１及びシラウド１２７用の構造材料として使用されるなら、水素が上昇した温度で相当の速度で石英を貫いて通過するだろう。不活性のパージ・ガス、好ましくは窒素が反応炉の周囲の領域における不安全な状態を避けるためＴＣＤとともに使用されることができる。パージ・ガスは空間１０９にガスを貫流させ、それにより壁１１１に向かって流れるすべての外部汚染物及び壁１１１を通過して逃げるすべてのガスを方向転換させ、そして捕捉するガス循環システム（図示せず）により処理されることができる。空間１０９は壁１１１と熱的に連絡しており、そのため槽から逃げるすべての熱はまたパージ・ガスに移転される。
反応炉１０１はすべての高純度シリコン含有材料で作ることができる。図示された壁１１１は、たとえ反応炉の部分が一つ以上のピースで作られていても、実質的に一つのピースである。反応炉を一つ以上のピースで作ることが便利である特別のケースは、入口ガス１１３，１１５，１４３用チューブ及びシリコン・ビーズ排出チューブ１１４がすべて一緒に束になっている反応炉の底部にある。図６の実施例において、ガス入口チューブとして及び出口またはビーズ排出チューブとして両方の役目をするチューブ１３５（第８図では２１９）を含むこれらのチューブは都合よく分離して製造してよくまた、第６図及び第３図の断面図に示すように反応炉の中に挿入してもよい。第７図に示すように、ビーズ排出チューブ１１４（第８図に示すガス入口２１９を備えている）はまた、入口ガス１１３，１４３とチューブ１１４を通って出て行くビーズとの間に熱伝達を持つことが望ましくない場合は、入口ガス・チューブ１３５から分割することができる。代案として、全体組立品を一つのユニットとして製造することは可能である。
ビーズを流動化するためシリコン担持ガスの噴射に先立って、ハロゲン含有ガスと反応することにより槽及びビーズからすべての酸素含有汚染物を除去することが望ましい。このことは適当なソースからチューブ１３１，１３２の頂部の入口１０４，１０６経由して供給される酸化ガス143、すなわちハロゲン含有ガスを噴射することにより達成することができる。ハロゲン含有ガスは、固体粒子を形成するため汚染物の膜と順次反応するハロゲン化シリコン担持ガスを形成するため壁のビーズのシリコン含有種と反応する。固体粒子はガス流により反応炉から一掃される。ハロゲン含有ガスは稀釈ガスを含んでもよい。
シリコン析着を達成させるため、シリコン担持ガス１１３は、そのガスが入口１０４を経由してチャンバー１０３の底に入る時、流動ジェット１１７を形成するのに十分な速度で噴射される。シリコン担持ガス中のシリコンはシラン化合物、ハロゲン化シラン及びそれらの混合物の形で存在することができる。シリコン担持ガスはまた稀釈ガスを含んでもよい。
槽１０１及び流動ジェット１１７が、チャンバー１０３の底部の粒子が最大引きずりの位置に向けられるように、サイズ決め及び形状決めされた時、都合のよい結果が得られる。このことは次のステップ、すなわち、最も大きいビーズが槽の底部に移動するような槽の中で粒子を分類すること、流動ジェットの中に粒子を乗せること、入口領域において上昇した反応炉の背圧を維持するため十分な高さの粒子ベットの形成を促進するのに十分な入口及び出口流速並びにジェット速度を維持すること、入口領域において上昇した反応炉の背圧を維持するため出口流量制御速度を調整すること、槽に入る流体の速度を調整すること、及び槽の底部で５．５〜２００の粒子レイノルズ数での運転を可能にするよう適合した壁プロフィルを持つ槽を提供すること、のうちの一つ以上を使用して達成することができる。
入口１０４でのガスの運動動力はガスの質量流量、組成、温度もしくは圧力または通路130の直径を変化させることにより変えることができる。ガスの入口運動動力はジェット１１７の中でビーズ粒子同士の衝撃により発生する粒子の生産速度及びサイズに実質的に関係する。ジェット１１７が入口領域１１６内側のベッド１０２に入るので、ベッド粒子はジェットに乗り、ベッド粒子間の磨滅及び磨砕が発生して小さい粒子となっていく。時々磨滅したビーズまたは種粒子で参照される小さい粒子は１００〜６００μｍのオーダーである。このサイズの粒子は付加的シリコン析着のための種ビーズとして役立つのに十分小さい。
これらの高温ビーズは典型的には周囲温度から４５０℃の範囲で比較的低温の流入シリコン担持ガスの中に乗せられるので、シリコン担持ガスはそれが分解する高温ビーズの表面に拡散し、高温水素及び或程度の高温シリコン蒸気が表面から離れ、或程度のシリコンが表面に残る。このプロセスはビーズをより低温に、そしてより大きく成長させ、シリコン担持ガスをすっかり空にする。シリコン担持ガスが奔流またはジェット１１７に沿ってさらに上へ進むに従って、そのガスは奔流の末端までにほとんどすべてのシリコン担持ガスがシリコンに変換されてしまうまで徐々により高温なっていき、そのシリコンはビーズに析着してしまうか、小さいアモルファス・シリコン粒子の中で形成されてしまうかである。これらの非常に小さい粒子はその際入口領域116、上方領域118のベッドを上昇し続け、泡１１９及び領域１１８の空の空間に入る。ジェット１１７の頂部では、乗せられて入口シリコン担持ガスにより冷却されてしまったビーズの大部分はジェット１１７を離れ、ジェット１１７の側面と壁１１１の間の入口領域116の中で乳濁物となって下降して戻る。これらのビーズの一部は反応炉１０１の底部で出口１７から出て行く。出口１０７は、ジェット１１７を囲み、第６図に示すようなビーズ排出チューブ１１４に接続する環状部１３３か、第７図に示すような結合から外れた排出チューブ１１４のどちらかに接続する。出て行くビーズはビーズ排出チューブ１１４から下降し、第８図に示す脱ガス器及びビーズ・ダイバーターを横切り、そして周囲の空気からのビーズ汚染が可能でないような密閉状態に通常い維持される便利なコンテナー２４６または２５３の中に集められる。
チャンバー１０３においては、アモルファス・シリコン粉体粒子はガス相のシランの分解から直接形成され、６０〜１２００ｍｍのオーダーの粒子直径を持つ。入口領域１１６及び流動ジェット１１７に対して、微細粒子が異質のシリコン析着により平均サイズを増大するように、そして均一な凝集が抑圧されるように、入口領域１１６で形成されたすべての微細なシリコン粒子の一部を流動ジェット１１７の中に循環するようサイズ決め及び形状決めされることは助けになる。ジェット加熱の有利な実施例においては、エネルギーは熱伝達のすべてに反応炉壁１１１を通過することを要求しない方法でチャンバー１０３のジェット領域１１７に供給することができる。特に熱エネルギーは高インテンシティの光１４１のビーム及び／または酸化性ガス１４３を含む化学反応によりジェットに供給することができる。このエネルギーはプロセス熱の大部分またはすべてを供給し、反応炉の底部からの熱損失の一部を置き換え、かくしてそうでなければジェット１１７の中で起こるであろうビーズの正味の冷却を防ぐ。反応炉の中央でのビーズのそのような冷却は反応炉の入口領域１１６を横切る抑制温度プロフィルとして時々記述される。
放射性エネルギー源（図示せず）により供給される高インテンシティの光１４１は、それが側面１３５による重要な損失もなくガスの入口通路130を上昇し、そして、チャンバーの内側のシリコン担持ガス１１３により吸収されたエネルギーがそのガスの分解を引き起こすのに不十分であるような、また、すべての残留エネルギーがシリコン・ビーズにより吸収されるような、適当な周波数分布を持つように、集中化される。反応炉の内側及び外側の両方において例えばレンズ、鏡、及び光ファイバーのような、可干渉性か不干渉性のどちらかの光に対する多様な集中化技術がここで使用されることができる。同様に、望まれる周波数分布が可干渉性または不干渉性のソースから得られ、そしてシリコン担持ガスの既知の吸収バンドを避けるように仕立てられる。
内側ガスの排出または入口通路130はチューブ１３１の内表面により限定される。チューブ１３２は同心円的にチューブ１３０を囲んでいる。ハロゲン含有ガスのソース（図示せず）から供給された酸化ガス１４３はチューブ１３１及びチューブ１３２の両壁の間で限定される環状空間１４５を通過する。酸化ガス143はその際環状空間１４５から環状ガス入口１０６を経由して、流動ガス入口１０４に隣接する場所の入口領域１１６の中を通る。入口領域１１６の内側で一度、酸化ガス143は混合し、そして入口領域のビーズを加熱するエネルギーを供給するため例えばシリコン・ビーズ、シリコン粉塵及びシリコン担持ガス１１３のようなシリコン含有種の破片と発熱的に反応する。この発熱的反応は反応炉の中央で熱源として作用し、かくして温度プロフィルを平らにする。反応は未反応のシリコン含有材料をハロゲン化した種に変換するため、それはまた反応炉入口の周囲の表面のシリコンの析着を妨げる。最良の酸化ガス143は少量の反応体のための大量のエネルギーと少量のシリコンまたはシリコン担持ガスの消費を生み出すものである。そのような酸化反応体はシステムの残余と釣り合う元素のハロゲンまたはハイドロハライドであるのが最良だろう。
不活性ガス流１１５は典型的には反応炉への全ガスの体積流量の０．５％〜５％のオーダーの少流量の流動ガスである。第６図の一体化された熱交換器の実施例においては、ガス流１１５はベッドからの出口において及び出口通路または環状部においてビーズが攪拌状態に保持され、排出チューブ１１４においては運動を起こさせるガスである。それはまた、ビーズが反応炉を離れる時ビーズとともに流れたシリコン担持ガスの大部分を取り除く。
入口通路１３０及び出口通路１３３は熱的に連絡している。かくして、ビーズが出口１０７を通過し、第３図または第６図に示す入口ガス・チューブ１３１を囲む環状空間または排出通路１３３を下降するので、熱はビーズから入口１０４，１０７，１０６に向かって移動しているガス１１３，１１５，１４３へ伝達する。これは入口ガスを温めることに役立つ。しかし、どんな一つの場所においても熱伝達の速度はシリコン含有ガスの入口チューブ131の内面の温度がシリコンの実質的析着がチューブ131の壁において起こる温度以下に止まるのに十分小さいように調整される。
しかしながら、第２図〜第６図の実施例を参照して、シリコン・ビーズによる磨砕及び次に起こるシリコンの汚染を防ぐため石英壁１３４，１３５の対立する表面に薄いシリコン膜を与えることは有利である。（第７図の実施例においてはシリコンの層は排出チューブ１１４の内表面に与えられる。）シリコン膜は通路１３３から出て行くビーズに対向する通路１３３を通って流れるガス１１５の中でシリコン含有化合物の熱分解により析着する。制御されないシリコン析着は時間が経過すると閉塞の原因となるだろう。それで、反応炉の望まれるべき運転に対して、チューブ１３４及び１３５の壁のシリコン析着とビーズによる磨砕との間にバランスがある必要がある。かくして、ガス１１５の流量と組成は、析着と、下向きのチューブ１１４の壁または、環状部１３３を限定する内側ガス排出チューブ１３４及び外側ガス排出チューブ１３５の壁のシリコン壁析着物のエロージョンとの間にバランスが維持されるようなものに選択される。ガス１１５はまたシリコン除去速度を増大させるに必要であるような腐触液を含んでもよい。エロージョン／エッチングとシリコン析着との間の平衡をそのように維持することにより、シリコン層の厚みはあらかじめ決められた範囲に維持される。ガス１１５中のシリコン含有ガス及び／または腐触液の流れは、反応炉の運転に最適であるように、通路１３３によるビーズの除去を伴って、または除去における干渉の間、同時に起こることができる。
外側環状部１３３から内側通路１３０への熱伝達速度は種々の方法で制御することができる。これらの方法は出て行くビーズに与えられる流動の量を調整すること、中央チューブ１３１の壁厚みの選択、及び第３図に示すような種々の熱伝達障壁を設けることを含んでいる。このような一連の障壁は、層間のギャップを横切る熱伝達を減らすのに役立つチューブ間のギャップを備えた、例えばチューブ１３２，１３４のようないくつかの同心円チューブを持つための入口チューブ組立品を構成することにより形成することができる。これらの熱伝達調整技術は第６図の一体化熱交換器システムを備えると有用であるが、第７図の結合から外れたシステムにおいては必要ではない。
第７図に示す実施例は入口ガス１１３と結合から外れた流出ビーズとの間の熱伝達を持つ。それはまたガス入口チューブ１３５及びビーズ排出チューブ１１４がテーパー付きであってもよいことを示す。この実施例においては、入口ガス１１３は反応炉の上流側予熱器における有用物により反応炉入口温度まで完全に加熱されなければならない。他の入口ガス１１５，１４３はまた第６図の一体化熱交換器の実施例と第７図の結合から外れた熱交換器の実施例のどちらかにおいて予熱してよい。ビーズはその際ビーズ排出チューブ１１４中の有用物により安全な運転温度まで冷却されなければならない。なぜなら、ビーズはもはや入口ガスを加熱しないからである。入口シリコン担持ガス１１３は壁温度もばら荷の温度もシリコン担持ガスの分解温度を超えない限りすべての熱源により加熱してよい。流れ１１５は第６図におけるようなビーズをパージするよりもむしろ挿入物に対してギャッ１３３をパージするため第７図における小さいガス・パージとして持続される。このギャップ１３３はいくつかの目的に役立つ。すなわち、それは反応炉とガス噴射器との間の熱中断である。そしてそれは、もし種々の構造材料が反応炉と噴射器のために使用されるなら、膨張ギャップである。パージ・ガス１１５はまた稀釈剤またはハロゲン含有ガスであってもよい。
ビーズ排出チューブ１１４はビーズに対向して流れる流動ガスによるビーズのさらなる分離に対して考慮するため第７図に示すように頂部にテーパーを付けることができる。第６図の一体化熱交換器の実施例においては、チューブ１３５はテーパー付きであろう。このガスは第８図に示すビーズ除去プロセスにおいて噴射され、そして流れ２０１または流れ２０２として噴射されることができる。この流れは好ましくは水素である。この実施例では、第８図に示す環状部は第７図に示す単純な排出チューブにより置き換えられる。ビーズは冷却目的のためガスまたは液体を使用することのできる熱交換器１３８の中で冷却される。
ガス入口通路１３０はまたもし必要ならテーパー付きとしてもよい。テーパーを付ける利点は圧力降下の減少及び反応炉の中への光エネルギーの改良された伝達である。テーパー付き噴射器の使用は窓１４２に高輝度ライト141のビームより大きくなることを可能にする。そのことは窓のエッジ効果からの飛散を減らす。
ガスが噴射されている時、入口ゾーン１１６の内容物は潜り奔流ベッドとして最もよく特徴付けられる。ガスがジェット１１７の頂部を離れる時、それはまた反応炉の入口領域１１６を離れる。ガスはその際図示された実施例のテーパー付き領域１１８及び貯槽領域１２０により構成され、そして入口領域１１６の上方にある上方領域に入る。上方領域１１８の内容物はガスが噴射されている時発泡流動床として最もよく特徴づけられる。
第２図は入口領域１１６のすぐ上にテーパー付き領域１１８を含む形状を示す。図示されたテーパー付き領域１１８は、たとえテーパーの一つ以上の角度が高さの関数として連続的に変化するテーパーの角度を持つために使用されるかもしれないとしても、単一のテーパー角度を持つ。テーパー付き領域の上方に実質的に円筒形のビーズ貯槽領域１２０がある。上方領域１１８，１２０は単一の円筒形断面により構成してもよいと理解されるべきである。そのような反応炉はシリコン析着に効果的であるが、上方領域の少なくとも一つがテーパー付きであった反応炉と同様粒子を分離しないだろう。たとえばテーパー付き領域１１８のようなテーパー付き部分の使用はより狭い粒度分布を持つ製品を得る結果となろう。全高さに沿ってテーパー付きである上方領域１１８，１２０を使用することはまた可能である。しかし、過度に大きい最大直径を持つ反応炉を避けるため、上方領域の少なくとも一部が第２図の貯槽領域１２０に示すように実質的に円筒形であることは最良である。
テーパー付き領域１１８に入る泡１１９は入口ジェット１１７の中で発生する種粒子の実質的部分及びアモルファス・シリコン粒子の大きい部分を含んでいる。これらの泡はテーパー付き領域１１８の中へ移動するので、微細なアモルファス・シリコン粒子はそれら粒子が中間泡乳濁物１２１を経由して泡１１９から泡１１９へ移動する際により大きいビーズにより捕捉される傾向にある。かくして泡間に実質的空間を持つこと及び上方領域１１８，１２０のビーズのベッドが微細なアモルファス・シリコン粒子の濾過のための粒状濾過装置として作用するように温度を維持することは有利である。
より大きい種粒子はまたベッド粒子により捕捉されることができるが、通常は、十分の攪拌がその領域の中の粒子に対して行われているという条件で、大きい粒子をはね飛ばす傾向がある。ベッド粒子の攪拌及び移動はとにかくベッドの中に生じるかもしれないすべての死領域における粒子の実質的凝集に対して保護を与えるために必要とする。
泡１１９がテーパー付き領域１１８を上昇するに従って、泡はビーズに攪拌を与える。この攪拌は、より大きいビーズが、より小さいビーズがテーパー付き領域を上昇する傾向があるので、槽のテーパー付き領域の底部へ下降する傾向があるような、サイズによるビーズの分級を容易にする。この領域における泡のサイズは反応炉のチューブの大きさの制御による反応炉のチューブの大きさの制御による反応炉の直径より小さくなるよう最もよく維持されている。テーパー付き部分が円筒状部分により近くなるに従って、テーパーは変化させてもよく、そして泡をより大きく成長させてもよい。泡の直径はベッド１２１またはそれと同じ直径を持つチャンバー１０３の直径と同じ大きさでさえあってもよい。速度と泡のサイズの選択は微細なアモルファス・シリコン粒子の濾過の見地からの有効性とベッド粒子の凝集を防ぐための十分な攪拌を与えることの見地からの有効性との間の妥協である。
一度泡１１９がチャンバー１０３と同じ幅になると、ベッド１０２は、ベッド１０２の先端部分が元のまま上昇してガスがベッド１０２をさらに上昇し続けようと切り抜けるスラッギング・モードに入る。これは濾過メカニズムのバイパス設置及び濾過効率全体の低下につながり、特に効率的濾過がより重要であるテーパー付き領域１１８において通常避けられるべきである。テーパー付き領域１１８と、粒状濾過装置として役立つベッドを含むビード貯槽領域１２０との間の移行において、反応炉形状を現在実質的に円筒形であるように変化させることが望ましい。この形状変更はまた粒子の分離の代わりに粒子のベッド１０２がよく混合されるように流動のモードを変化させるだろう。この変化の利点は三重である。すなわち、低い設備コスト、粒子サイズの制御、そしてシリコン壁析着の維持である。
反応炉壁１１１が高純度材料で作られる限り、それはなお製品を汚染する傾向にあろう。そこで反応炉に沿って上へずっとシリコン壁析着を維持することが望ましい。特に反応炉の冷却の時、壁と壁析着との間の熱膨張の差による反応炉の破壊を防ぐため滑剤を使用することができる。滑剤は、結果として起こるシリコン壁析着の壁材料との結合を防ぐためシリコン担持ガス導入に先立って反応炉の壁１１１の内表面に析着した、比較的非粘着性の層または被覆物である。滑剤は反応炉壁に接着しなければならないが、反応炉壁に固く結合してもそれ自身に結合してもいけない。それは壁析着物に接着または結合してもよい。なぜならシリコンは非常に粘着性があるからである。滑剤層は、熱膨張係数は反応炉壁及びシリコン壁析着に対して異なると仮定すると、温度が変化しながら応力が発生する時、壁１１１の前で滑剤層が破壊するように、反応炉壁より小さい剪断強度を持たなければならない。これは焼結を避けることにより滑剤を粉体形式に保持することによってなし得る。
これらの特性は流動床運転温度より大きいタンマン温度を持つすべての微細に分割された粉体または粉塵により満足できる。最良の結果は、反応炉システムの運転の間、シリコンの析着層のケルビンで示す温度の２倍以上である、ケルビンで示す融点を持つ粉体で達成される。シリカは純度及び便利さのために最良の材料である。微細に分割されたシリカ層は始動に先立って加熱された反応炉の内側でシリコン担持ガスを酸化または加水分解することにより析着され得る。本発明においては、中央チューブはシリコン担持ガスを導入するために使用され、そして環状部は酸素含有ガスに対して使用されることが最も便利である。両ガスに対する稀釈ガスの使用は薄い被覆さえ得ることにおいて有利である。すなわち、シリコン担持ガス及び酸素含有ガスの濃度は０％と１００％の間で変化することができる。０．１μｍの最小被覆厚みが要求されるが、より厚い析着が１〜５μｍの範囲において最良の結果で許容し得る。滑剤として効果的であるべきこの被覆層においては粒子の複雑な層があることは重要である。このため、要求されることは粒子は直径が滑剤層の厚みより小さい大きさのオーダーであることである。反応炉をさらに保護するため、槽壁に析着するシリコンは槽の壁に１００℃以上により冷却することを可能にするのに先立って少なくとも部分的に除去されるべきである。これはハロゲン含有ガス状腐触液を使用して運転温度において、またはその温度付近においてエッチングを施すことにより達成され得る。
粘度分布の制御は反応炉のデザイン及び運転において語らなければならない困難な問題であること、そして粗い制御と細かい制御の両方が必要となり得ることが認識されている。新しい種粒子生産の粗い制御はチューブ131により限定された入口オリフィス１０４の直径及びデザインの選択により、並びに入口ガス１１３の質量流量及び密度の変化により達成され得る。摩滅の量の細かい制御は例えばジェット１０５のような補足のジェットを生み出す一つ以上の補足の入口１２５を通って流れる流量を調整することにより与えられ得る。運動動力は入口オリフィス直径、流体組成、質量流量、圧力及び／または温度を変化させることにより調整され得る。ビーズ衝撃の周波数を増大させ、付加的磨滅を促進する補助的ジェットは入口領域１１６の上方に位置するのが最良である。最も有利なのは、そのようなジェットは良好混合領域ビーズ貯槽１２０の中に設けられる。補助的入口１２５により噴射されるガスは通常例えば水素のような非シリコン担持ガスであるが、十分な付加的な反応炉高さがシリコン担持ガスを完全に利用するためこの位置の上方に設けられるという条件で、付加的シリコン担持ガスがこの位置で噴射されることは可能がある。
ガスは領域１２０のベッドの頂部から出て行くので、それはベッドから粒子を搬出するだろう。本発明の装置においては、他の流動床で見られる、反応炉の内側のサイクロンが必要でないような、反応炉からのシリコン流出量がほとんどない。しかしながら、特に始動時に起こり得るベッドのひっくり返りまたは「げっぷ」を含むため、外側サイクロンまたはノックアウト・ポット（図示していないが、図示しているガス出口チューブ１２４の丁度下流側にある）が望ましいかもしれない。
ベッドの中で捕捉されない、そしてガス出口チューブ１２４を経由して上方に進み、下流側の配管に入るであろう微細なアモルファス・シリコン粉体が少量ある。付加的入口１２３を配管中１２４に、または腐触ガス用反応炉１０１の頂部に設けることができる。腐食ガスはフィルターなしで反応炉の下流側システムにおいてシリコンまたはシリコンハライド・ポリマーの析着を妨げるために使用される。腐食ガスはガス状ハロゲン化種を生産するためベッドから出てすべての未反応シリコン担持ガスと反応するアモルファス・シリコン粒子を消化する。腐食ガス１２３用入口は通常、そのガスがベッドに戻って潜在的に腐食ガスからの汚染物質をベッドの方へ導く粒子と接触しないような、搬送解放高さ（ＴＤＨ）により特徴づけられるような解放領域１２２の上方に設けられる。
大抵の設備における便利のために、頂部ポート１２４を経由して反応炉を離れるガスはシリコン担持ガスが発生し、精製されるプラントの別の場所にリサイクルされるだろう。かくして担持ガス発生プロセスの残余と適合する反応炉の頂部において腐食ガス１２３を使用することは有利であろう。
テーパー付き領域１１８から入口領域１１６への移行は既知の死領域を避けるためにデザインされる。この死領域はジェット１１７の先端とジェットの先端で形成しつつある泡１１９との間の移行点において発生する。第２図、第６図及び第７図に示すように実質的に楕円形状を持つ入口領域１１６は体積比に対して小表面積を与える。この形状は、たとえ危急的にビーズの循環または入口領域１１６の有効性を変化させることなしに他の形状で運転することが可能であっても、有利であると信じられた。何故ならその形状は最初に入口ジェット１１７の運転に基づいているからである。
第６図で詳細に示されている第２図において、環状除去通路１３３を経由して壁１１１に接近しているビーズの或程度優先的な除去がある。これは一般に望まれるべきである。何故ならそのようなビーズは反応炉からのビーズの除去の際により活発でない表面を持ち、したがって表面上により少ない水素を持つからである。類似の状態が第７図に詳細に示す結合から外れた実施例において存在する。ビーズの表面に吸収される水素または塩素の量は温度上昇とともに減少する。したがって、シリコン担持ガスと接触するビーズの温度降下を防ぐことが望ましい。第６図及び第７図においては、そうでなければ流入シリコン担持ガス１１３により引き起こされるだろうこの温度降下を防ぐための二つの装置が示されている。高輝度ライト141のビームのビームが入口のチューブ131に沿って入口の窓及び／またはレンズ１４２により反応炉中に投射され、シリコン担持ガス１１３を貫通し、そして入口ジェットに乗っていく、そしてそれを囲むビーズを加熱する。酸化ガス143の流れ、好ましくは例えば塩素のような元素のハロゲンがチューブ１３２，１３４の間の環状ガス空間に噴射される。酸化ガス143の流れは、ガスが混合し、反応炉入口領域１１６の内側の噴射器先端１０４，１０６において反応するようにシリコン担持ガス流１１３を囲む。シリコン・ビーズ及び／またはシリコン担持ガスとのハロゲンの反応の熱はビーズを加熱する。
第８図はビーズが反応炉から少なくとも二つのコンテナーの一つに連続的に移送されるためのビーズ除去プロセス及び装置の詳細を示す。左側では、ガス流（第６図の流れ１１５に対応する）がチューブ２２０を通過し、環状部１３３中のビーズから残余のシリコン担持ガスを流動化して抜き出すためガス入口チューブ２１８（第６図の１３１）とビーズ排出または出口チューブ２１９（第６図の１３５）との間で限定される反応炉環状部（第６図の１３３）の底部に入る。このガスは水素または他のすべての反応炉適合性のある非シリコン担持ガスであってもよい。そのガスはフリット２２１を通って上昇し、環状部へ入る。ビーズはビーズ排出チューブ２１９のベースの方へ環状部を下降し、それから好ましくは無流動状態で重力により第一の傾斜した移送チューブ２２２を下降し続ける。チューブ２２２のベースにおいて、ビーズはビーズの小さいベッドを保持する小さいカップ２２３の中に落下する。落下するビーズはベッドに到達するので、装置は摩耗から保護され、ビーズは汚染から保護される。
第一ステージの脱ガスするガス２０２はチューブ２２５を経由して別のフリット２２４へ送られる。ガス２０２はフリット２２４を通過し、ビーズを移送チューブ２２６に沿って押し上げる。ビーズは第二の傾斜した移送チューブ２３０を下降して第二ステージの脱ガス装置へ重力により再び落下する。チューブ２３０のベースにおいて、ビーズはビーズの小さいベッドを保持する小さいカップ２３１の中に落下する。第二のステージの脱ガス流２０４はチューブ２３３を経由してフリット２３２へ送られる。ガス２０４はフリット２３２を通過し、移送チューブ２３５に沿ってビーズを押し上げ脱ガス・カラム２３９の中へ送る。ビーズはビーズがすべての残余のガスから抜き出される脱ガス・カラム２３９を下降し、それからビーズの小さいベッドを保持する小さいカップ２５４の中に落下する。カップ２５４のすぐ上の脱ガス・カラム２３９の底部への開口部はチューブ２４０，２４７により限定される通路への開口部である二つの受入れポートである。不活性ガスはビーズをカラム２３９へ搬送するために使用されるガスを除去するため、ポートの少なくとも一つを経由してカラム２３９の中へ流れる。ガス流に依存して、ビーズはその時チューブ２４０を通過するかチューブ２４７を通過するか、どちらかである。ガスがチューブ２４１を通り、すなわち流れ２０６が他方２１０のガス流に比べて十分大きい時、ビーズはチューブ２４７を下降し、弁２４９及び２５１を経由して密封可能なコンテナー２５３に入る。逆に、ガスがチューブ２４８を通り、すなわち流れ２１０が他方２０６のガス流に比べて十分大きい時、ビーズはチューブ２４０を下降し、弁２４２及び弁２４４を経由して密封可能なコンテナー２４６に入る。
運転時、流れ２０２及び２０４は反応炉から出て来るビーズ流量に広範囲の制御を与えるため通常脈動する。脈動の長さ、周波数及び大きさはビーズの流量を決定するため制御することができる。
有利な運転において、流れ２０１及び流れ２０２は両方とも水素のみが反応炉に入るような水素であろう。これの利点は反応炉の頂部からの流出水素のリサイクルにある。もしリサイクルが望まれないなら、その時は流れ２０２は最後の梱包に対して使用される、例えばアルゴンのような不活性ガスとすることができよう。流れ２０４並びに他の流れ２０６，２０７，２０８，２０９，２１０，２１１，２１２及び２１３はすべてビーズの最終梱包に対して使用されるもので、例えばアルゴンまたは窒素のような不活性ガスであろう。このガスの目的は残余の水素を除去し、ビーズの梱包２４６または２５３の中の雰囲気が安全であることを確実にすることである。脱ガス・ベント２２９，２３８はガスが通過するビーズから分離するガス解放領域２２７，２３６の上方に設けられる。フリット２２８，２３７はひっくり返る場合のビーズ溢流を防ぐためガス解放領域２２７，２３６とベント２２９，２３８の間に設けられる。流れ２０３及び２０５は両方とも下流側スクラバーまたはベント（図示せず）の方へ抜き出されるだろう。
移送槽２４６，２５３を隔離するために使用される弁システムにおいては、二つのパージ弁が各移送槽に対して使用される。左側においてはこれらは弁２４２，２４４であり、移送槽の除去を容易にするためこれら二つのの弁の間にフランジ２４３がある。両弁はパージ・ガス遮断弁を示す第９図に示すようにパージされる。類似の弁２４９，２５１及びフランジ２５０が右側に設けられている。弁２４２，２４４，２４９，２５１のどれもガス密封性がなく、それらは計画的にそれらにガスを通過させるようデザインされている。ビーズ収集の間、弁はビーズ及び破片が弁中の弁体３０５と弁ケーシング３０６との間のギャップを閉塞しないことをそれぞれ確実にするためパージ・ガス２０７，２０８，２１１の小さい流れを伴うビード流れのため開いている。
弁２４２，２４４，２４９，２５１を通過するビーズはチューブ２４５，２５２を経由して密封可能な槽２４６，２５３へ送られる。槽がビーズで満たされている間、ベント弁（図示せず）を介して槽のガス抜きをするのに役立つ。槽２４６または２５３を満たすことがほぼ完了した時が移送を行う時であり、ビーズはガス流を切り換えることにより満たされている槽から他の槽へ切り換えられる。例えば槽２４６が満たされているなら、ガス流２１０はガス流２０６より大きくなるだろう。かくしてビーズは槽２４６へ流れるだろう。それから槽を変える時になったら、流れ２０６は増大して流れ２１０は減少するだろう。かくしてビーズは槽２５３に切り換えられる。さらに特に、切換えは、満たされたコンテナー２４６に接続された受入れポートを経由してカラム２３９へのガス流を増大させ、空のコンテナー２５３に接続された受入れポートを経由してカラム２３９へのガス流を減少させ、そして満たされたコンテナー２４６を隔離するため弁２４２，２４４を閉じて、空のコンテナー２５３のベントをすることにより行われるだろう。それから次の移送のための準備が、フランジ２４３を外すことによりポートから満たされたコンテナー２４６を切り離し、満たされたコンテナー２４６を密封し、満たされたコンテナー２４６がフランジ２４３において新しいコンテナーに取り付けることにより外されたポートに別の空のコンテナーを接続し、そして新しく接続されたコンテナーへの弁２４２及び弁２４４を開き、不活性の低酸素含有ガスで満たされたコンテナー２４６をパージすることにより完了する。パージの代わりにベントとして効果的に流れ２１３を使用して、二方向の流れ２０９及び２１３を使用する槽を介してガスを引き下ろすことも実行可能である。これは適当な弁調整によりなし得る。槽を移送することが必要である時は、まずビーズ流れが上に論議したように切り換えられ、そしてすべてのビーズが槽２４６または２５３の中へ落下することが可能である。移送槽２４６を除去するため、それぞれの弁２４２及び２４４へのパージはすべての残余のビーズを吹き出すために増大することができ、弁はガス流に流量制限を与えるため閉じる。再び、弁はガス密封性があるようにではなく、システムないの流れを途絶させることなく、さらに周囲の空気からの汚染を避けるためパージをコンスタントに行いつつ、切り離しがなされるようガス流を制限するようにデザインされる。フランジ２４３が次に切り離され、その時パージ・ガスは流れ２０７となって弁２４２を通って流下し、同時にシステム圧力を維持しながら切り離されたフランジ２４３を通って流れ出るだろう。同様に、流れ２０８となって弁２４４通って流れ、切り離されたフランジ２４３を通って上へ流れるだろう。これは切離し中こにの領域の積極的パージを保証する。
移送槽はその位置から移動し、或種のキャップまたはブランク・フランジが出荷のためフランジ２４３槽側を閉鎖するために設けられ得る。それからこれはコンテナー上の必要なガス密封性の接続を与えるだろう。同様に流れ２０８及び２０９を与えるパージ・ガス接続部がまた弁調整され、またキャップされる。常設のフランジ２４３を頂部に取り付けてもよいが、その代わりとして製品ビーズをすぐ受け入れるべき別の槽を取り付けたり切り離したりしてもよい。
他の移送槽のための機構は基本的に同じである。第８図には最小の二つの脚及び二つの槽が示されているがそのシステムは丁度二つの脚に制限されず、望むだけの数の脚を備えてもよい。第三のサンプル脚を持つことも、また如何なる合理的な数の脚の複雑なシステムを構成することも最良となるかもしれない。これは２４０及び２４７が典型的である脚を配置することにより簡単になし得る。
示された角度Ａ及びＢは可変である。角度Ａは脚２２２及び３０における重力流を保証すべきであり、角度Ｂはそれぞれガス脈動２０２及び２０４を使用して脚２２６及び２３５に沿ってビーズが吹き上げられて上昇するのを可能にすべきである。角度Ａは角度Ｂと同様約３０°から６０°までの間とするのが最良だろう。しかし、両角度は必ずしも最適のシステムにおいて等しくなければならないことはない。同様にビーズ・ダイバーターのシステムにおいて、示された角度Ｃは−４５°〜９０°としてよいが、通常−３０°〜３０°である。これは元来、搬送の便利及びチューブのエロージョンの回避のため、そしてまちがった槽へビーズが流れるのを防ぐためである。
第９図は第８図に示す弁２４２，２４４，２４９，２５１用として、適当なパージ遮断弁の詳細を示す。ビーズは弁への開口部より小さくデザインされているチューブ３０１を経由して下降する。チューブ３０２の底部においてそれと弁体３０５との間に隙間がある。それからビーズは弁体３０５を通過して、入口チューブより好ましくは幅広い出口チューブ３０９へ入り、そしてシステムを通過する流れ３１０として受入れ槽へ流出する。
この弁において与えられるいくつかのパージがある。第一に、チューブ３０２及び３０３の間の環状空間において上部パージ３０４がある。このガスはビーズ流れの周囲を流下し、チューブ３０２の底部と弁体３０５との間のギャップを横切って吹き込む。この流れの目的は弁体３０５と弁ケーシング３０６との間で向かい合せに捕捉されるようなすべてのビーズまたはビーズ破片が弁を通過して下降するのを促進することである。同様に、中央の穴３０７から流入するガス弁体３０５全体に分布するような穴を弁体３０５の外側部分に設けることができるし、また例えば穴３０８のような出口穴を弁体３０５と弁ケーシング３０６との間のギャップをパージするように設けることができる。
ビーズの弁との接触から起こる汚染を減らすようデザインされた、弁体３０５弁出口チューブ３０９の壁からビーズが離れるのを促進するための穴を弁の内側部分に設けることもできる。角度Ａはまた弁体３０５と弁ケーシング３０６との間のギャップを開くことなく弁体３０５からビーズを離れさせるようデザインされている。この構造の多くは例えばシリコンまたはガラス質シリカ（石英）のような高純度シリコン含有材料から製造され、そして種々の材料が摩耗及び純度の論点に依存して種々の場所で使用されることができることは留意すべきである。例えば、非常に高い摩耗領域において、導入される汚染物質が製品に適合するように例えば高純度石英、合成石英、または多結晶シリコンのような非常に高い純度の材料を使用することが望まれるだろう。システム内に有効な隙間は温いビーズを取り扱う時材料の捕捉なしに種々の熱膨張係数の非類似材料の使用を許容する。
第１０図は流体ベッド反応炉の効率的運転用として決定的であるオンライン粒子解析を与えるための機械ビジョンの方法を示す。オンライン粒子解析は反応炉から出て来る粒子の計測から即時のフィードバックを提供する。そのような情報は反応炉の制御に決定的である。ビーズ除去チューブ１１４を経由して反応炉を離れるビーズは非汚染の平らな表面の傾斜した部分４０７に沿ってビーズを移動させる装置を通る。まずビーズはその時ビーズ同士で衝撃を与える小さいポケット４０２の中へ非汚染のチューブ４０１の中を落下することになる。表面はビーズが単一層４０３をなして外へ広がり、傾斜した部分４０７に沿って流れ、収集システムへの流れとして出て行くのに十分幅広い。角度Ａは傾斜面４０７上を単一層４０３をなしてビーズが円滑に流れるのを維持するため０°と６０°の間である。機械ビジョン・システム４０６はビーズの物性を検知するため窓４０５を通じて狙いをつける。機械ビジョン・システムはまたビーズが濃密相で、すなわち明らかに垂直なチューブを満たして計測することができる場所に存在する。
第１１図に示す類似の形状を持つシステムはビーズの表面特性を改良するために利用することができる。このシステムにおいては、ビーズは高強度の光にさらすことにより加熱される。ビーズはポケット５０２の中へ非汚染チューブ５０１の中を落下し、傾斜する非汚染表面５０７の上を単一層５０３をなして外へ広がり、収集システムの中への流れ５０４として出て行く。角度Ａは傾斜表面５０７上を単一層５０３となってビーズが円滑に流れるのを維持するため０°と６０°の間である。単一層５０３の上方に設けられた窓５０５は使用される光の周波数に対して透過し得る石英または他のすべての高純度材料で作ることができる。光５０８はビーズの表面特性を改良するため適当な可干渉性または非干渉性の高強度の光源５０６から窓５０５を通じてさし込んでくる。表面流動性を改良するためにまたは他の方法ではシリコン粒子の表面を高めるために選ばれたガスをチューブ５０１の中のビーズとともに導入することも可能である。そのようなガスは種々のハロゲン化材料でよい。レーザーまたは他の高強度の光源５０６の選択は望まれる結果に依存するだろう。例えば、もしビーズの表面のみ迅速に加熱することが望まれるなら、比較的短い波長の光がビーズへの光の透過が制限され、そして供給される熱の量がビーズの表面を加熱するのみに十分な量に減らすことができるよう使用されるだろう。特に有利な実施例においては、光は走査するのに固有の周波数と十分な強度を持つものであり、閃光は表面流動性と円滑なビーズ形態学を促進するために選択されたガス雰囲気の中で８００℃〜１５００℃の温度にビーズの表面を加熱する。
第１２図は反応炉の中へ噴射されるべきハロゲン含有または稀釈ガスの流れ６０１からの、例えば酸素、水、一酸化炭素及び二酸化炭素のような酸化化合物の除去を図示している。稀釈ガスは水素、窒素、アルゴンまたはそれらの類似物でよい。流れ６０２は例えばシラン、トリクロロシラン等のようなシリコン担持ガスである。ミキサー６０４は例えばハロゲン含有または稀釈ガス及びシリコン担持ガスが直接混合するようなミキサー要素６０３を含んでいる。もし必要なら、この領域に適度の熱を適用することも可能である。シリコン担持ガスは固体粒子を形成するため他のガスを汚染する酸素含有化合物と反応するだろう。ガスと粒子の混合物６０５はそれから細かいメッシュのフィルター６０７を通過し、精製されたハロゲン含有または稀釈ガス及び残余のシリコン含有ガス６０８は例えばチューブ１１５を経由して反応炉システムの中に進入する。流れ６０６は典型的にフィルターに対してバッチ・モードでなされた、固体粒子、特に酸化シリコン材料の除去を示す。
第１３図は反応炉から出る１．５ｍｍ粒子に対する高さに対する反応炉直径及び粒子サイズの変化を示す。反応炉の正しく底部には、直径約２６ｃｍの反応炉の幅広い部分があり、その点において平均粒子サイズは丁度０．１４ｃｍまたは１．４ｍｍのもとにある。反応炉を離れる材料は反応炉底部において平均粒子サイズより少し大きい。反応炉はそれから約１３ｃｍに幅狭くなり、その点において平均粒子サイズは約１．２１ｍｍである。反応炉直径はその際二つのステップで増大し、最初は約１６ｃｍ、そして最終的には１８ｃｍまでになる。このテーパー部分においては、サイズによる粒子の分離が行われる。入口から高さが増大するに従って粒子サイズが落ちていくのは１．２１ｍｍから始まって約０．９ｍｍまでと示される。テーパー部分の後の反応炉の頂部において反応炉は真直ぐのままであり、平均粒子サイズは変わらない。これは反応炉の三つの領域を示す。すなわち、反応炉の底部においては粒子直径は反応炉がよく混合されている析着のため劇的に増大し、テーパー部分においては反応炉を上昇する粒子サイズは減り、そして反応炉の頂部においてはベッドはよく混合され、粒子直径は同じままである。
第１４図は種々の高さにおける粒度分布を示す反応炉からの粒度分布計測の結果を示す。キーとなる割合は粒ど分布及び平均粒子直径を示すため１０％，５０％及び９０％である。かくして底部１フートの高さにおいて、平均粒子サイズは９３５〜１７００ミクロン（１０％〜９０％）の範囲を伴う１４００ミクロンである。１０フィートの高さにおいては、平均サイズは６００ミクロンで範囲は３３０〜１１２０ミクロン（１０〜９０％）である。これは大粒子が反応炉の底部から出て行き、それらの粒子は狭いサイズ分布を持つ。テーパー部分は狭い粒度分布を生み出し、テーパーの底部に近いほど粒子サイズは増大する。反応炉の頂部においては、すべての粒子サイズが同時に成長することができるような良好混合ベッドにおいて広い範囲の粒子サイズがある。それらが真直ぐな部分を離れるのに適当なサイズに到達した時、それらはテーパー部分を下降し、最終的には反応炉の外へ出る。
実施例
次の例は元素のシリコンを収穫するための第２図〜第７図の反応炉の使用を述べる。反応炉１０１は石英配管で構成された。反応炉は次のようなサイズを持つ入口、テーパー、貯槽及び解放の各領域を含んでいた。入口領域１１６はおよそ２５ｃｍの直径と４０ｃｍの長さを持つ楕円であった。テーパー付き領域１１８の最初の部分は直径１７ｃｍから出発し、直径２３ｃｍで終わり、長さ５０ｃｍであった。テーパー付き領域の第二部分は直径２３ｃｍから直径２５ｃｍで終わり、長さ８０ｃｍであった。２５ｃｍの直径を持つ貯槽領域はテーパー付き領域の頂部からベッドの頂部まで３５０ｃｍに及んだ。そして直径２５ｃｍの解放領域は貯槽領域の頂部から反応炉の頂部までさらに２６０ｃｍに及んだ。長さ３０ｃｍの外側チューブ１２４は内径（ＩＤ）２５ｍｍで反応炉の頂部に設けられた。反応炉の底部におけるガス入口チューブ１３５は長さ３０ｃｍであった。チューブ１３５の内側ではインサート１３１が設けられ、主反応炉の底部にフランジで固定されていた。インサート１３１は石英で製造され、次のようなサイズを持っていた。すなわち、底部のＩＤは５０ｍｍ、頂部のＩＤは１２ｍｍ、そして壁厚みは２．５ｍｍであった。インサート１３１の底部においては、入口ガス１１３のためのＩＤが７ｍｍの排出チューブとの接続があった。粒子のための出口１０７はＩＤ１２ｍｍを持っていた。反応炉全体の合成高さは８４０ｃｍであった。運転を始める時、シリコンが仮の処置として頂部ポート１４４に接続されていたシリコン・ビーズ槽（図示せず）から頂部ポート１４４を介して導入された。この仮の付加的ビーズ槽を使用して、反応炉はビーズで供給することができた。いくつかのビーズ供給が必要であった。最初の供給は約１．４ｍｍの平均粒子サイズが望まれる下方の入口領域１１６に対するものであった。第二の供給は平均粒子直径が１．２５ｍｍである第一のテーパー付き領域に対するものであり、次に第二のテーパー付き領域に対しては平均粒子直径１．１４ｍｍのものが供給された。頂部では平均粒子直径は０．９７ｍｍであった。シリコン種粒子の抵抗率は２００オーム・ｃｍ以上に決定され、流動及びソース・ガスは不活性ガス及び水素が最初の始動ガスとして使用される始動を除き１００％シランにより構成された。反応炉は不活性ガスでパージされ、シリコン粒子の最初の供給は前述のように入口領域１１６を満たすために導入された。それから次の供給が反応炉がビーズで満たされるまで加えられた。ビーズの添加と協同的に、付加的ビーズが添加されるに従ってより良い流動特性を与えるべく入口ガス１１３の加熱開始をするための壁ヒーター及び予熱器を使用しての加熱が確立された。
水素の流れは噴射器１３１経由の通路１３０とそれを囲むビーズ排出環状部１３３との両方を利用して毎分２００標準リットル（ＳＬＭ）で開始された。反応炉への動力は１０ｋＷで始動し、それからベッド高さがベッド・ビーズの添加により入口上方５８０ｃｍまで上げられた時３０ｋＷに増大した。水素のこの流量は８５０℃の望まれる運転温度が得られた時減少し、そして動力は減少して、個々の領域により壁の温度プロフィルを制御するようセットされた。それから高強度の光源が向けられ、光がジェット領域へのガス噴射器を上げ、壁温度設定点は入口領域１１６のため下げられた。次に、酸化ガス143、すなわち塩素2SLMが供給開始され、冷却水の循環がビーズ冷却器１３８と往復接続するチューブ１３６及び１３７により確立された。シラン、シリコン担持ガスが次に反応炉の底部に導入され、ビーズ排出が環状部１３３における水素流れを減らすことにより開始された。シランと水素の両方が分割シラン予熱器（図示せず）により加熱された後に約３５０℃で入口領域１１６のベースに入った。
流量はシラン含有量が増大するに従って徐々に水素の量を減らすことにより流動を維持するように調整された。約１時間後、反応炉は１００％シランで運転され、供給量はシラン約２１０ＳＬＭであった。ビーズ排出流動ガスを供給するため環状部１３３に２ＳＬＭの少量の水素パージ流１１５があった。反応炉の頂部において微細なアモルファス粒子の溢流が入口１２３からの室温での塩素ガス８ＳＬＭの噴射により実質的に排除された。生産物は約３０ｋｇ／時で反応炉から排出され、平均直径１．５ｍｍ（１５００ミクロン）を持っていた。典型的な運転では、３２０ｋｇのシリコン始動床が供給された。製品速度は３０ｋｇ／ｈであり、典型的運転期間は１〜２週間であっただろう。ベッドの供給のプロセスは或程度の汚染をもたらすが実質的ベッドの切換えの後、収穫された材料は半導体装置の生産のために有用な品質のものであった。
平均動力消費量は０．５ｋＷ／ｋｇのエネルギー消費量に対して約２ｋＷ／時で反応炉の前のシラン予熱器により与えられた或程度の付加的プロセス熱を伴って反応炉において１１ｋＷであった。そのよなエネルギー消費量は分配器グリッド及び壁の活発な冷却が実行される他のマイクロ波加熱石英液体ベッドのために引用される４０ｋＷ／ｋｇ以下であるのは意味深い。動力供給のエネルギー効率は壁ヒーター及びシラン予熱器に対する５０％までの導入光に対し２％から変化した。向けられた光は３ｋＷのプロセス熱を供給し、塩素反応は２ｋＷのプロセス熱を供給した。マイクロ波は１ｋＷのプロセス熱及び入口領域１１６において１ｋＷの熱損失を供給した。壁ヒーターは上方領域において４ｋＷの熱損失補償を供給した。電気的入力はかくして導入光に対して１５０ｋＷ、マイクロ波に対して４ｋＷ、壁ヒーターに対して８ｋＷ及びシラン予熱器に対して４ｋＷであり、合計すると１６６ｋＷまたは５．５ｋＷ／ｋｇであった。
上記のことに鑑みて、本発明は次の請求の範囲及びその等価物の範囲及び精神に含まれるようなすべての変更を含んでいる。

Claims (8)

1. 多数のシリコンビーズと、
   シリコンビーズを収容するチャンバを画定し、かつシリコンビーズを流動化するガスを注入する流動化入口を画定する壁を備えた容器とを有し、
   前記チャンバが、（a）流動化入口を収容し、かつ流動化入口を介してガスを注入した時に沈在噴流ベッドにビーズを収容するように形成された入口領域と、（b）前記入口領域から上方に動くガスを受けるため、入口領域に連通しかつ入口領域の上方に配置され、かつ泡立ち流動化ベッドにビーズを収容するように寸法決めされて形成された上方領域と、を備えたことを特徴する加熱シリコン析着反応システム。
2. 前記壁が、ビーズを付加的に粉砕して、シリコンを析着させる種ビーズとして作用するようビーズのサイズを小さくするためのガスを注入するために形成された付加入口を画定することを特徴とする請求項１に記載の加熱シリコン析着反応システム。
3. チャンバが、シリコンビーズの水素含量を低減させ、且つシリコンビーズを通じて多結晶構造を生成させるのに十分な時間の間、700℃〜1200℃の温度にシリコンビーズを保持するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱シリコン析着反応システム。
4. ガスが容器を通って上方へ動くにつれて、ガスの速度が低下し、容器の底部へ最大ビーズを動かしてビーズを大きさで分級するように、壁の少なくとも一部をテーパー状に構成したことを特徴とする請求項１に記載の加熱シリコン析着反応システム
5. 容器内に配置されたビーズにシリコンを析着させる方法であり、
   （a）入口領域と、（b）入口領域と連通しかつ入口領域の上方に配置され、入口領域から上方へ動くガスを受ける上方領域とを含む少なくとも二つの領域を備えるチャンバを画定する壁、及び入口領域内ヘガスを供給する流動化入口を有する容器を設けること、
   流動化入口を介してシリコン含有ガスを注入して、沈在噴流ベッドにおける入口領域にビーズを保持するようにすること、
   及び泡立ち流動化ベッドにおける上方領域にビーズを維持するようにすること、を特徴とする方法。
6. ビーズにシリコンを析着させる方法において、
   チャンバ内のビーズを流動化ベッドに保持し、且つ少なくともベッドの一部分を負の速度分布を有する領域に保持するような状態で、流動化入口を介してシリコン含有ガスを注入することを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. ビーズにシリコンを析着させる方法において、
   ビーズのハロゲン含有量を低減させかつビーズにおける多結晶構造を促進させるのに十分な時間の間、700℃〜1200℃の温度にチャンバ内のビーズを維持することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. ビーズにシリコンを析着させる方法において、
   壁の内面の少なくとも一部に、壁へのシリコン堆積物の接着を抑制するためにスリップ被覆体を施すことを含み、スリップ被覆体が反応システムの運転中のシリコン層のケルビン温度の二倍以上のケルビン温度での融点をもつ粉末であり、
   スリップ被覆体上にシリコン層を形成すること、
   シリコン含有ガスをチャンバ内に注入すること、及び
   チャンバ内の内容物の少なくともいくらかを加熱してチャンバ内の基板へのシリコンの堆積を促進させること、
   を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。

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