JPH0379291B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は、一般的には種粒子に化学的気相成長
（CVD）反応を生じさせる装置および方法に関す
るものであり、更に具体的に云うとシリコンおよ
びそれと同様な材料を気体から固体に変える改良
された装置および方法に関する。

発明の背景 高純度のシリコン、ゲルマニウムおよびその類
似材料は、半導体デバイスの生産に大量に用いら
れている。高純度シリコンは代表的な場合には例
えば精製してすべての不純物をできるだけ除去し
たシリコン含有気体の熱分解によつて得られる。
熱分解は、シリコン含有気体（ガス）から遊離さ
れる元素シリコンで被覆される加熱表面上できわ
めて容易に達成される。このプロセスは化学的気
相成長（CVD）と呼ばれる。外部からの汚染導
入を避けるためには、その上でCVDが発生する
開始又は〓種”表面もまた高純度シリコンでつく
られていることが望ましい。

流動層反応器は、多数の固体粒子を反応体気体
に密接させるのに有用な手段（装置）である。そ
れらの反応器は、シリコン粒子の薄い層（fine
bed）にHCl蒸気などのエツチング液を通過させ、
後で容易に精製できるガス状シランおよびクロロ
シランを生産することによつて、ガス状シリコン
含有化合物を生産するのに長い間用いられてきて
いる。更に最近になつて、精製したシランおよび
クロロシラン化合物からシリコンを抽出する手段
として流動層を用いる試みがなされるようになつ
た。

シリコン含有ガス状化合物を約1000℃の温度で
シリコン種粒子の流動層を通過させると、シリコ
ン含有化合物は分解し、元素シリコンを種粒子上
に堆積させ、それにより粒子の大きさが大きくな
る。しかし、シリコン含有ガスに対向する如く元
素シリコンの生産に流動層を用いた場合には、実
際上の大きな障害に直面する。特に流動層中のシ
リコン粒子が大きくなるにつれて、それらの粒子
は塊となつて、CVD反応によつて粒子表面上に
堆積したシリコンによつて効果的に互にくつつく
傾向がある。この塊状集積の結果処理能力および
反応効率が低下する。その理由は、塊状集積した
粒子の総表面積は個々の粒子の総表面積より小さ
く、反応速度および変換効率は、利用できる総表
面積に依存するからである。

シリコン採集に流動層を用いた場合にこれまで
に直面したもう１つの障害は、代表的な流動層反
応器の粒子保持板（particle support plate）に
ある微細な穴が堆積したシリコンによつて、又は
シリコン粒子によつて詰る点である。これらの穴
が詰まると流動層の処理能力を低下させ、またそ
れらの穴を清浄したり又は保持板を取りかえるた
めにしばしば運転停止をする必要が生じる。粒子
保持板は流動層の底に置かれている通気性の板で
あつて、流動層中に粒子を保持する一方で、ガス
を通過させて流動層の特性である沸騰に似た乱流
を作り出す。

先行技術のシリコン採集流動層に伴うもう１つ
の問題は、反応を止めずに、また流動層を空にせ
ずに、かなりの量のシリコンがその上に堆積した
粒子を、塊状集積によつて大きく成長はしている
がその上に比較的少量のシリコンしか堆積してい
ない粒子から分離する効果的な手段が存在しない
ことである。いづれの粒子も流動層のなかで泡立
つている粒子密集体の底に沈降するほゞ同じ傾向
がある。従つて、塊状集積は、その上に著しい堆
積が起きている粒子を分離する能力を著しく妨げ
る。この結果、先行技術の反応器から取り出され
たシリコンは、所望する以上に高率の種材料を含
んでいる。このため、生産量の単位重量当たりに
要する追加の（付加の）種材料の点からも、また
追加の種材料を加熱するのに浪費される追加エネ
ルギーの点からも運転費が上昇する。

これらの、およびその他の理由により、流動層
シリコン採集システムを効率的に、また重大な運
転上および保守上の問題に遭遇することなく継続
的に動作させることは実際的でないことが証明さ
れている。

従つて、本発明の目的は、微細に分割された種
粒子を堆積される材料を含む反応体ガスと接触さ
せる改良されたCVD反応器システムを提供する
ことである。

本発明のもう１つの目的は、粒子の塊状集積が
最少にされており、又は避けられており、反応し
た粒子と反応してない粒子との差動分離
（differential separation）が容易に行われるの
で著しいCVD反応が発生した粒子を容易に採集
しうる一方でその他の粒子は更に反応を行うよう
に残される、改良されたCVD反応器システムを
提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、エネルギー効
率を更に高めるために改良された熱構成の反応器
システムを提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、粒子保持板の
使用を避けることによつてそのような保持板が詰
まることに伴う諸問題を回避することである。

本発明の更にもう１つの目的は、CVD反応シ
ステム内でシリコン含有ガスからシリコンを採集
する改良された方法を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、ほゞ連続的な
方法でシリコン、特に半導体用等級のシリコンを
シリコン含有ガスから採集する改良された方法を
提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、追加の種粒子
を添加することが可能であり、すでにシステム内
にある粒子を多数のCVDサイクルを通して循環
させることができ、反応器システムの運転を殆ん
ど妨げることなしに反応した粒子を採集すること
ができる改良された反応器システムを提供するこ
とである。

発明の要約 ソースガス（source gas）から物質を抽出す
る改良された手段（装置）および方法が提供され
ており、そこでは上昇粒子反応カラム（塔：
column）内でシリコン種粒子とソースガスとを
反応させ、ソースガスからの物質を種粒子上に堆
積又は添加させる。反応カラム内のガス速度は、
所定の大きさより小さいすべての種粒子を持ち上
げ、運び、放出するのに十分な速さでなければな
らず、一方ではより大きな大きさに成長した粒子
は上昇ガスの流れを通つて落下し、反応器の底部
から抽出される。反応カラムから放出された種粒
子は膨張室内の消費されたガスから分離され、反
応カラムの周囲に共心的に配置されていることが
好ましい貯槽内に再び落下する。ソース物質
（source material）を全く含まない放出ガスは、
できれば種粒子貯槽内にあることが好ましい第１
混合手段に供給される。第１ガス−粒子混合物が
第１混合手段内で作られ、反応器内に放出される
か、又は反応器内に放出される前に、第１ガス−
粒子混合物とソースガスとが更に混合される補助
混合室内に放出される。ソースガスを高速のリフ
テイングガス（lifting gas）と組合せてもよい。
リフテイングおよびソースガス−粒子混合物は反
応器内に流れ込み、そこで種粒子との反応およ
び／又は種粒子上への堆積が発生する。種粒子は
反応カラムを通つて貯槽に入り、自動的に再循環
して反応カラムに戻り、このことは粒子が反応カ
ラム内で差動リフテイング作用（differential
lifting action）により自動的に採集されるのに
十分な大きさになるまで続く。貯槽にも反応カラ
ムにも粒子保持板は必要でない。種粒子を反応カ
ラム又は補助混合室に放出するのに用いられる混
合および／又は放出手段は、貯槽内への入力ソー
スガスのフイードバツク又は漏洩を完全に防ぐこ
とが重要である。反応器又は混合室に通じる補助
混合室内又はポート内のくびれた部分はこのフイ
ードバツクを防ぐ上での助けになる。種粒子を反
応器壁の温度より高温に加熱することが望まし
い。この目的のためにはマイクロ波熱源が有用で
ある。

少なくともその一部分はソースガスに由来する
物質により種粒子を被覆するプロセスが更に提供
されており、このプロセスは、 上述したように第１の所定の大きさより小さい
種粒子を導入し、 反応可能なソース物質を全く含まない第１ガス
（１種類又は２種類以上）を貯槽内に導入し、貯
槽内で粒子を撹拌して第１ガス−粒子混合物を作
り、 できればソースガスを含んでいることが望まし
いリフテイングガス（lifting gas）の流れのなか
に第１ガス−粒子混合物を放出して第２−ガス粒
子混合物を作り、また貯槽内にソースガスが著し
くフイードバツクしないようにし、第２ガス−粒
子混合物を反応室に流入させ、反応室内において
リフテイングガスの速度を第１所定速度になるよ
うにし、 反応室内の第１所定ガス速度を調節して、前記
の第１の所定の大きさより大きい第２の所定の大
きさより小さい殆んどすべての粒子が反応室を通
つて出口の端の方向にほゞ運ばれるようにし、 第２ガス−粒子混合物を加熱し、そこにあるソ
ースガスと反応させ、および／又はそこにあるソ
ースガスを減少させて種粒子上に被覆を形成し、
それにより大きな粒子および消費されたガスを生
じさせ、 第２の所定の大きさより大きい被覆された粒子
を反応室内で集め、 消費されたガスおよび第２の所定の大きさより
小さいまゝになつている殆んどすべての粒子を反
応室の出口の端から放出させ、 放出されたガスの速度を遅くし、放出されたガ
ス中に放出した粒子がもはや上昇せずに落下する
ようにし、貯槽内に集めてその後の反応のために
種粒子を提供し、 消費されたガスを抽出し、オプシヨンで再循環
させ、 反応室の底部の端からそれらのガスを抽出する
ことにより集めたガスを採集することを含む。リ
フテイングガスを別個に提供することもでき、ソ
ースガスと混合したり、放出ガスと混合したり、
又はそれらの方法を組合せることもできる。反応
室壁より高温に種粒子を加熱することが望まし
い。マイクロ波加熱はこの目的にとつて有用であ
る。代わりの方法として反応室壁を冷やすことも
可能であり、或いは両方の方法を使用することも
できる。

図面の詳細説明 第１図は先行技術によるシリコン生産に用いる
石英流動層反応器の断面図を示す。流動層反応器
１０は円錐形の底部２８を具えた垂直方向の円筒
形反応室１１を有する。シリコンのソース、この
場合にはトリクロロシランと水素を含む反応性流
動ガスは入口２９を通つて反応室に入る。シリコ
ン種粒子を導入するために入口１３が具えられて
おり、粒子がシリコンソースガスと反応し流動層
の底に沈降した後に大きくなつた粒子を取り出す
ために出口２４が具えられている。ヒータコイル
１２は反応室に熱を与え、流動層２５中の流動シ
リコン粒子を約950〜1250℃の温度に維持する。
消費されたガスは出口３０から抜き取られる。ガ
ス分布および粒子保持板２６には多くの穴がある
ので、入口２９を通つて入るガスは小さい穴２６
ａを通つて室１１の反応帯内に上昇することがで
き、同時に流動層２５内のシリコン粒子は保持板
２６によつて円錐形の末端部分２８内へ落下する
のを防止される。

動作すると、シリコン種粒子がシリコン含有反
応体ガスと接触するようになる泡立つている流動
層を生じさせるのに十分な量のシリコン種粒子お
よび反応体ガスがそれぞれ入口１３および入口２
９を通つて導入される。このシリコン含有ガスは
分解し、追加（付加）のシリコンを種粒子上に堆
積する。より大きな、従つてより重い粒子は流動
層２５の底に沈降する傾向を示す。十分な時間の
経過後に、出口２４を開き、大きくなつたシリコ
ン粒子を採集し、追加の種粒子をもう一度管１３
を通して入れる。流動層２５内のガス速度は一般
に30cm／秒以下である。連続動作を行うことがで
きるが、上述した種類の障害を伴う。

粒子の塊状集積および保持板２６の詰まりが反
応器の連続的動作を妨げる重大な問題であること
が見出されている。塊状集積が特に面倒な問題で
ある。その理由は、塊状集積は処理能力および反
応効率を低下させる、即ち種粒子上に堆積する元
素シリコンに変換されるシリコンソースガス中の
シリコンの量を減少させるからである。この型の
反応器においては、代表的な場合にはソースガス
流中の反応可能なシリコンの75−80％が変換され
ないまゝで残り、排気口３０から失われる。種粒
子の塊状集積は粒子の表面積−体積比を低下させ
るので、それらの粒子は流動層の底に沈降し、か
なりの量のシリコンが粒子上に堆積する前に採集
される。塊状集積した粒子はその大部分が投入し
た種材料からなり、追加したシリコンは比較的少
ない。

先行技術の流動層シリコン反応器に共通した特
徴は、種粒子が流動層内に残り、出口３０を通つ
て反応器から出る消費された、又は反応したガス
と一緒に運ばれないことである。このために塊状
集積を促進する粒子と粒子との接触が行われる機
会が著しく多くなる。

先行技術反応器のこれらの、およびその他の問
題は、第２図および第４図において相異なる実施
例で図示した本発明の上昇粒子反応器システムに
より避けられる。例として本発明の上昇粒子反応
器手段（装置）および方法を、シリコン含有ガス
から元素シリコンを採集するために用いる場合を
説明する。しかし当業者は、本発明の構造上の特
徴および動作はより一層一般的なものであり、種
粒子を反応器内に導入し１種又は２種以上のガス
と反応させその後に抜き取ることが望ましい多く
の種類の物質および反応に適用されることを認識
するであろう。

第２図は、ほゞ円筒形の反応器カラム（塔；
column）又は室４２を取りまく種粒子を保持す
るための同心的な円筒形貯槽カラム又は室４１を
含む上昇粒子反応器システム４０の断面を簡略化
した形にした概略図を示す。この実施例ではシリ
コン種粒子である種粒子を種子粒子入口手段４３
により貯槽４１内に導入する。不活性ガス又は還
元ガスで加圧されたホツパは適当な種粒子入口手
段である。入口４３を通つて導入された種粒子４
３ａは重力によつて貯槽４１の環状の下方部分４
４内に落下し、反応器の動作を支持するのに十分
な種粒子５３の供給を下方部分４４において維持
する。環状貯槽空間４４に存在する必要のある種
粒子５３の量は実験によつて容易に決定できる。

この実施例ではシリコンを含み、その他の物質
の場合には堆積される材料を含むリフテイングお
よびソースガス４８は、入口４９において導入さ
れる。こゝに用いられている〓ソースガス”とい
う語は、種粒子上に堆積又は形成される材料又は
種粒子表面上に堆積又は形成される材料の成分を
含むガス又はガス混合物を云う。非ソースガス
は、そのような材料又は成分を殆んど含まない又
はそのような材料を不活性の反応しない形で含む
ガス又はガス混合物である。シリコンの生産には
キヤリヤガスで希釈したシラン、クロロシランお
よび／又はそれらの混合物がリフテイングおよび
ソースガス４８に適している。リフテイングおよ
びソースガス入口４９は、ガス一粒子入口穴５１
および放出ノズル５２を有する混合管又は室５０
を具える。

できれば環状貯槽４１の下方部分４４内に位置
し、種粒子５３に浸されていることが好ましいノ
ズル４７に対する入口４６により第１注入ガス４
５が供給される。第１注入ガス４５は非ソースガ
ス、即ち種粒子５３が存在すると反応して塊状集
積を生じさせる化合物を殆んど含まないガスでな
ければならない。例えば、シリコン採集反応器に
おいては、第１注入ガス４５は還元可能なシリコ
ン含有化合物を含んでいてはならない。水素が第
１注入ガス４５に適していることが見出されてい
るが、その他の不活性又はソースフリーガス、例
えばヘリウム又はアルゴンも使用できる。水素は
またリフテイングガスとしても有用であり、リフ
テイングおよびソースガス４８中のソース化合物
を希釈するのに用いられる。

第１注入ガス４５の流れ４５ａがノズル４７を
出ると、種粒子５３の一部５３ａはガス流４５ａ
中に押し流されて第１ガス−粒子混合物を作り、
この混合物はガス流４５ａによつて生じる圧力と
速度によりソースガス入口４９および混合室５０
の側面に位置する穴５１の中に押し流される。混
合室５０は側面の穴５１の近くにくびれ（圧縮
部）５４を具え、ベルヌーイ効果を利用できるよ
うにするのが便利であり、その場合には穴５１近
くの混合室５０内の圧力はこの効果により低下す
る。混合室５０内に強制的に入れられたリフテイ
ングおよびソースガス４８のかなりの部分は、ソ
ースガスが種粒子５３の塊状集積を生じさせるお
それのある貯槽中に側面の穴５１を介して逃げな
いようにすることが重要である。上記に述べたよ
うに、種粒子の塊状集積を避けることが本発明の
特別な目的であり特徴である。第１ガス−粒子混
合物５５を穴５１を通して混合室５０内に注入す
るのに十分な圧力を加えた場合には、リフテイン
グおよびソースガス４８が種粒子を含む貯槽下部
４４内にフイードバツクしたり、又は漏洩したり
することが避けられることが見出されている。こ
のプロセスは穴５１の近くにくぼみ（圧縮部）５
４を具えることによつて助長される。

第１ガス−粒子混合物５５は、混合室５０内で
リフテイングおよびソースガス４８に衝突する。
第１粒子−ガス混合物４８とリフテイングおよび
ソースガス４８は一緒になり、混合室５０内に第
２ガス−粒子混合物を作る。リフテイングおよび
ソースガス４８は、第１ガス粒子混合物５５によ
り混合室５０内に注入されたすべての粒子が上方
へ吹き上げられる、即ち持ち上げられ噴出ノズル
５２まで運ばれそこで粒子が反応カラム４２内へ
脱出するのに十分な速度を有しなければならな
い。混合管５０およびノズル５２の断面積は反応
カラム４２の断面積より小さい。第２ガス−粒子
混合物５６はノズル５２から注入されると、反応
カラム４２内に上昇するソースガス−粒子混合物
５７を作る。

上昇ソースガス−粒子混合物５７の速度５８
は、所定の直径又は臨界直径より小さい殆んどす
べての粒子５９がソースガス−粒子混合物５７の
速い速度で流れるガス５７ａ内に一緒に移動さ
れ、反応カラム出口６７の方向へ持ち上げられ、
運ばれるのに十分な速度でなければならない。上
昇する粒子５９は反応カラム４２を通つて上方へ
流れ、反応カラム出口６７から噴出される。この
所定の、又は臨界的大きさ（サイズ）より大きく
成長した残りの粒子はガス流５７ａによつて持ち
上げられたり運ばれたりせず、反応カラム４２を
通つて反応カラム４２の底にある領域６９に落下
し、そこで出口６６を通つて採集された材料とし
て抜きとることができる。この差動採集作用のよ
り一層詳細な説明は後述する。

消費されたガス６０ｂと噴出された粒子６０ａ
とからなる消費されたガス−粒子混合物６０は、
反応カラム４２の出口６７から出て減速空間６３
に入るが、この空間６３は反応カラム４２より大
きい直径を有し、そこで速度は減速する。噴出さ
れ、消費されたガス６０ｂの速度が落ちるにつれ
て、噴出された粒子６０ａはもはや上昇せず、同
心的貯槽４１の下部４４内に落下し、種粒子供給
５３を補充する。消費されたガス６０ｂはサイク
ロンセパレータ６２により抜き取られ、このセパ
レータは絶対に必要ではないが、消費されたガス
流内にまだ含まれているかもしれないきわめて微
細な粒子を除去することが望ましい。消費された
ガス６０ｂは反応してないか又は分解されてない
ソースガスを含んでいる可能性がある。一般的に
云つて、反応カラムの高さは、できるだけ多くの
ソースガスが分解したり、および／又は種粒子と
反応したりできるようにするのに十分な高さであ
ることが望ましい。

ヒータ６９ａ−ｂは貯槽４１および反応カラム
４２を取り囲んでおり、所望する反応を促進する
のに必要な温度にシステムを維持する。その他の
ヒータもまた用いてもよい。その代わりの方法と
して、冷却ジヤケツトを用いて、反応カラム４２
の内壁を貯槽４１、種粒子５３および／又はガス
流５７ａより低温に維持することができる。これ
が望ましいのは、CVDは、比較的冷たい反応カ
ラム壁４２ａ上ではなく主として反応カラム又は
室内のより高温の種粒子５９および６４上で発生
するからである。種粒子５３の直接的マイクロ波
加熱は、反応カラム４２の内壁４２ａに比べて粒
子５３の温度を上昇させるもう１つの方法であ
る。貯槽室４２と反応室４１との間で粒子を急速
に再循環させると、反応している種粒子の温度を
壁４２ａの温度より高く保つのを助長する。その
理由はこれら２つの室は相異なる温度に維持する
ことが可能であるからである。先行技術の流動層
反応器１０はこの能力を有しない。という訳は、
種粒子が採集されるまで流動層２５に残つている
からである。壁への堆積は先行技術の流動層シリ
コン反応器において周知の問題である。

粒子５３の貯層４１から混合管５０内への混入
および注入に加えて、ガス４５は、また貯層内の
粒子５３に空気を混和して粒子が比較的緩んだ状
態に維持され、ガス流４５ａによつて容易に持ち
上げられて側面の穴５１から混合管５０内に押し
流すことができるようにするという重要な機能を
果す。種粒子供給５３に空気を混和する役目をす
る第１注入ガス４５のその部分は貯層４１を通つ
て上方へ流れ、セパレータ６２を介して抜き取ら
れる。これは消費されたガス６０ｂ中に残つてい
るソースガスが領域４４内の種粒子供給５３に達
してそこに塊状集積を生じさせるのを防ぐ。ガス
４８と一緒になつた後のガス流４５ａは、反応カ
ラム内で急速に流れているその一緒にされたガス
５７ａのリフテイング作用に寄与する。

ガス４５又は４８により生ずる反応カラム内の
リフテイング作用の比率（proportion）は使用者
が選択する問題であり、一方この場合にはガス４
８が主なリフテイング作用源となるのが便利であ
るが、必ずしも常にそうする必要のないことは当
業者により理解されるであろう。ガス４８をリフ
テイングガスと云つているが、リフテイングはま
た一部は注入ガス４５によつても行われるもので
あり、若し所望するならばガス４５は主要なリフ
テイング作用を行いうることを理解すべきであ
る。絶対に必要なことは、反応カラム４２内で一
緒にされたガス５７ａが粒子５９を持ち上げて運
ぶのに十分な速度を有し、粒子注入および貯槽空
気混入ガス４５が反応可能なソースガスを含まな
いことである。

粒子が受ける揚力又は加速度とリフテイングガ
ス流の速度との関係は、ストークスの法則を用い
ることによつて評価できる。揚力は重力により対
抗される。速度Ｖの上昇ガス流中に置かれた直径
Ｄの球形粒子は、重力単位（ｇ）で表わされるＡ
＝１−（１／ｄ）²の正味加速度Ａを経験すること
が証明できる。但し、ｄ＝Ｄ／D₀は正規化粒子
直径である。基準（即ち臨界）直径Ｄ＝D₀はガ
スの粘性揚力が丁度重力と釣り合う粒子直径であ
り、下記の式により与えられる。

D₀＝C₀（V₀）^1/2 但し、V₀は所定のガス速度、C₀はガスの性質
および粒子材料の密度に依存する既知の定数であ
る。加速度Ａと正規化直径ｄとの間の関係が第３
図に描かれているが、そこでは負の（上方を向い
ている）加速度軸が縦軸になつている。

ｄ＝１の場合には、揚力と重力が均衡してい
る。ｄ＜１の場合には粒子は上昇し（Ａ＜０）、
ｄ＞１の場合には粒子は降下する（Ａ＞０）。臨
界直径D₀付近では、加速度は粒子直径の二乗に
ほゞ依存する。従つてD₀付近の粒子直径が僅か
に変化しても、加速の大きさおよび方向に大きな
変化を生じさせる可能性がある。例えば、ｄ＝
0.5（臨界直径D₀の1/2）の場合には粒子は３ｇの
上向き加速度を経験するが、ｄ＝２（臨界直径の
２倍）の場合には、粒子は0.75ｇの下向き加速度
を経験する。下向き加速度は漸近的に１ｇに近づ
く。従つて、本発明の反応システムは種粒子の大
きさが変化すると、強力な差動採集作用を有する
ことが判る。Ｄ＜D₀を有する種粒子は強力な上
向き加速を経験し、反応器を通つて運ばれ再循環
される。ひとたび種粒子がＤ＞D₀の大きさにま
で成長すると、粒子はもはや持ち上げられたり運
ばれたりせず、上昇ガスを通つて反応器の底に落
下する。通常は、種粒子が妥当な所定の臨界サイ
ズに達し採集されるためには、反応カラム中を数
回通過する必要がある。

採集が始まる臨界直径D₀は、リフテイングガ
スの速度を適当に調節することによつて予め決め
ることができる。関係式V₀＝（D₀／C₀）²は必要と
されるガス速度を概算するのに有用である。しか
し、粒子は完全な球形ではなく、ストロークスの
法則はほゞ正確であるにすぎない。従つて使用す
る特定の反応器を実験によつて較正することが望
ましい。このことは既知の大きさの粒子を用い、
リフテイングおよび輸送を行うのに必要なガス速
度を測定することによつて容易に達成しうる。

反応室又はカラム４２のガス流５７ａに垂直に
測定した断面積A₁、貯槽４１の断面積A₂および
減速空間又は膨張室６３の断面積A₈の間に一定
の関係が存在することが重要である。これらの関
係は、反応カラム４２において差動粒子リフテイ
ングを行い、減速空間６３内で噴出した粒子と消
費されたガスとを分離し、貯槽４１内で噴出した
粒子を集める必要から生じる。A₁＝XA₂および
A₁＝YA₃となるようにA₁、A₂およびA₃を関係づ
けることが望ましい。但し、Ｘは0.05〜0.25の範
囲にあり、Ｙは0.0125〜0.125の範囲にあり、
Ｘ／Ｙは２〜10の範囲にある。Ｘが0.08〜0.2の
範囲にあり、Ｙが0.04〜0.1の範囲にあり、Ｘ／
Ｙが２〜５の範囲にあることが好ましい。

本発明は、被覆又は堆積材料を形成するため
に、例えばシリコンを採集するために用いられる
先行技術の流動層システムおよび方法と比べて本
発明を区別するいくつかの特徴をもつている。

(1) 本発明のシステムにおいては、反応カラム内
にも貯槽内にも粒子保持板を必要としない。従
つて、先行技術のシステムに伴う保持板の詰り
の問題が避けられる。

(2) 同心的環状貯槽４１内に含まれている種粒子
５３は自動的に反応カラム４２に対する絶縁ジ
ヤケツトとなり、それにより熱損失を減らし、
反応器の効率を高める。更に、貯槽で反応カラ
ムを取り囲んでいる環状構造は所望する反応温
度で、又はその温度の近くで自動的に粒子５３
を環状空間４４内に保持する。更に、種粒子の
マイクロ波加熱を用いることにより、および／
又は反応室の内壁を冷やすことによつて、種粒
子の温度を反応室壁の温度より高く保つことが
できるので、壁上のCVDは減少するか、又は
避けられる。同心的貯槽構造はまたコンパクト
であり製作が簡単であり、また第４図に関連し
て示されているように、角度のある対称的で均
等な粒子の流れを容易に反応室に戻すことがで
きる。

(3) 反応カラム内に存在する種粒子は流動層内に
保持されていないが、種粒子が所定の臨界サイ
ズ以下にとゞまつている限りでは入口ガスの力
によりガス流内に伴出され、持ち上げられ、反
応カラム４２を通つて運ばれ、反応カラム４２
から外へ運ばれる。それらの粒子は自動的に貯
槽４１を通つて再循環する。

(4) 粒子は反応カラム内の流動層内に保持されて
いないので、粒子と粒子との接触は、反応カラ
ム内の塊状集積が殆んどなくなるレベルにまで
減少する。

(5) 先行技術の流動層と異なり、種粒子との密接
な接触なしに反応体ガスの泡を流動層および反
応カラムを通過させる泡立て作用がない。先行
技術とは対照的に本発明では、粒子は反応カラ
ムをほゞ個別的に通過し、従つて分解しつゝあ
る反応体ガスと接触する最大の機会を有する。
このことは堆積効率を上昇させ、ソース材料の
固体シリコンへの変換を改善する。

(6) 分解しつゝあるソースガスとの接触の結果十
分な厚さのシリコン被膜を獲得した粒子は、十
分なシリコンをまだ獲得してないより小さい粒
子と自動的に区別される。従つて、本発明の反
応器システムは採集される粒子と再循環される
粒子とを自動的に区別する。採集するため所望
の大きさにまで未だ達していない粒子は、自動
的に同心的貯槽に戻され再循環される。塊状集
積した粒子を早まつて採集することは避けられ
る。

(7) 本発明の差動採集作用は先行技術の流動層の
採集作用と異なり、より強力であると考えられ
る。例えばシリコン採集に用いられる先行技術
流動層では、粒子は流動層中にとゞまつてい
る。流動層はガスが流動層に通気する
（aerate）につれて膨張し、乱流沸騰作用（即
ち流動化）を生じさせても、本発明において説
明するような種類の粒子運搬は起きない。本発
明におけるように流れるガスによつて持ち上げ
られ運ばれるのではなく、流動層中の粒子は他
の粒子とぶつかり他の粒子によつて支えられて
いる。先行技術の流動層においては条件ｄ＜１
に対応する条件は存在しない。シリコンを採集
するための先行技術流動層はｄ＞１に等価の条
件の下で動作する。この範囲では、相異なる大
きさの粒子が経験する力（又は加速度）の差は
本発明による場合よりはるかに小さい。このこ
とは、ｄ＞１の場合には曲線勾配が小さくなつ
て零に近づくが、ｄ＜１の場合にはこの勾配が
大きくなつて無限に近づくことに注目すること
によつて第３図から容易に理解できる。差動採
集作用の大きさ（magnitude）は動作過程にお
ける曲線勾配に依存する。本発明は臨界点（ｄ
＝１）の両側で動作することによつてより強力
に粒子を分離するが、先行技術の流動層は臨界
点（ｄ＝１）の右側においてのみ動作する。

下記は元素シリコンを採集するための第２図の
反応器の使用例である。上昇粒子反応器４０は直
径約25mmの反応カラム、直径約75mmの貯槽カラム
を有し、組合せた高さが約２ｍの石英管で製作し
た。供給口を介して導入する前に、シリコン種粒
子は80−200メツシユ、即ち0.13〜0.32mmの範囲
の大きさを有するように選別されたが、この大き
さの２〜３倍の粒子も持ち上げることができた。
シリコン種粒子の抵抗は200オーム−cmより大き
くなるように決められた。リフテイングおよびソ
ースガス４８はモルパーセントでH₂SiCl₂6.6％、
HSiCl₃3.4％、H₂90％からなつていた。水素もま
た第１注入ガス４５として使用した。

反応器は、不活性ガスおよび／又は水素で浄化
され（purge）、シリコン種粒子５３の最初の充
填が入口４３を介して導入され環状貯槽の下方の
１／４〜1/3を部分的に満たすようにした。先づ最初
に、純粋水素をソースガス入口４９を介して導入
し、反応カラム４２内の流速を毎秒約0.5ｍから
数メートルとするのに十分な流速を設定したが、
0.3ｍ／秒のように遅い速度でも小さい種粒子に
は有用と考えられる。第１注入ガス４５（水素）
の流量を調節して種粒子５３を混合管５０内に十
分に注入し、種粒子５３が反応室４２を通つて貯
槽４１に戻る循環を開始するようにした。これは
また貯槽４１内の種粒子供給５３を通気するのに
役立つた。次に反応器はヒータ６９ａによつて一
般的には1050−1100℃の温度にまで加熱した。こ
の実験では、ヒータ６９ａは省略した。

次にシリコンソースガスをリフテイングガス流
４８内に導入し、上述の比率になるように流量を
調節する一方で、反応カラム４２内の総流速を毎
秒0.5ｍ〜数メートルの範囲に保つた。反応カラ
ム４２内のこの流速は殆んどすべての種粒子５３
を最初に持ち上げるのに十分であつた。これは
D₀＞0.32mmの値に対応する。反応器内にシリコン
ソースガスを導入すると、シリコン種粒子はソー
スガスからのシリコンのCVDにより重さと大き
さが急速に増加し始める。シリコン種粒子の体積
がその最初の大きさに比べて６〜10倍の大きさに
なると、それらの粒子はもはや反応カラム４２内
のガス流５７によつて持ち上げられず、大きくな
つた粒子は沈降し始め採集されることが判明し
た。これはＤがD₀より大きくなることに対応す
る。平均すると粒子は沈降して採集されるのに十
分な重さにまで重くなるには、反応カラム貯槽を
通つて約５回循環することが測定された。

代表的な運転では、約1.4Kgのシリコン種粒子
を反応器内に導入した。約20.4KgのH₂SiCl₂およ
び13.6KgのHSiCl₃のソースガスを循環している種
粒子と接触させて反応器を通過させると、採集さ
れた種粒子は約2.8Kgの重量増加を示していた。
これらの結果は回収効率33％を示す。この比率を
代表的な先行技術の回収率20〜25％と比較してみ
るべきである。回収率は、採集された種粒子の重
量増加を作動期間中に反応器を通つたソースガス
中の利用可能なシリコンの重量で割つてえられ
る。試験運転では、0.28Kg／時の平均成長率が10
時間にわたつて一貫してえられた。採集された材
料は単一の結晶シリコンインゴツトを生産するの
に用いられ、このインゴツトは抵抗150−180オー
ム−cmを有する非補償Ｐ形であることが発見され
た。採集された材料は半導体デバイスの生産に有
用な品質のものであつた。

第４図は、本発明のもう１つの実施例による反
応器を簡略化した概略的断面図にて示す。再循環
式上昇粒子反応器８０は、ほゞ円筒形の反応カラ
ム８２を取り囲んでいる同心的種粒子貯槽８１を
含む。最初の種粒子はポート８３を通つて反応器
に入れられ、そこから種粒子は貯槽８１の環状領
域８４内に落下する。この実施例の特徴は、リフ
テイングおよびソースガス８８および粒子注入
（非ソース）ガス８５が実際に反応カラム８２内
に入れられる前にそれらのガスを円筒形貯槽８１
および／又は反応カラム８２と熱的接触すること
によつて予め加熱されるような方法でそれらのガ
スが反応器システムに入れられる点である。この
配置は種粒子に比べて反応カラム又は室８２およ
び混合室８２ａの内壁を冷やすのに有利である。
このことはより高温の種粒子上への堆積に比べて
カラム８２の内壁上へのソースガス８８からの材
料の堆積を減少させるので重要である。

リフテイングおよびソースガス８８は入口８
９′を通つて入り、貯槽８１の壁と熱的接触をし
てマニホルド８９内に移動し、そこからそのガス
は反応カラム８２の底部においてノズル９２を通
つて混合室８２ａ内に入る。注入（非ソース）ガ
ス８５は入口８６を通つて入り、反応カラム８２
の壁と熱的接触をして移動する。

注入ガス８５は注入ノズル８７に運ばれる。注
入ノズル８７は反応室８２の底部にある混合室８
２ａの側面にある一連の小さい開口部又はポート
９１に面しており、これらの開口部により貯槽８
１の下部８４と混合室８２ａとの間が通じるよう
になつている。注入ガス流８５ａはノズル８７を
出て貯槽８１内の種粒子９３の一部を取り入れて
第１ガス−粒子混合物を作り、この混合物はポー
ト９１を通つて混合室８２ａ内に注入される。混
合室８２ａ内に注入されると第１ガス−粒子混合
物９５はリフテイングおよびソースガス８８の急
上昇する流れ８８ａに出会い、その流れ８８ａと
第１ガス−粒子混合物は混合してガス速度９８を
有するリフテイングソースガス−粒子混合物を作
る。リフテイングソースガス−粒子混合物９７は
直接に反応カラム８２に向つて進む。反応器８２
周囲の貯槽８１の同心的配置によつて、注入ポー
ト９１を反応器８２の下端の周囲に等間隔に配置
して、混合室８２ａおよび反応器８２内への粒子
注入もまた一様で不変のものとすることができ
る。このことは反応器内の均一な粒子分布を促進
し、これは高い処理能力と効率を達成する助けに
なる。

上述の場合と同じく速度９８は、所定の大きさ
より小さい粒子を持ち上げて運搬して反応室出口
１０７から噴出するのに十分な速度でなければな
らず、一方速度９８のガス流９７によつては持ち
上げることができないより大きくより重い粒子は
底部分又はサンプ１１２の方向に落下する。第２
図に関連して説明したように、消費されたガスお
よび噴出された粒子混合物１００は膨張室１０３
内で分離されるので、噴出された粒子１００ａは
環状貯槽部分８４内に落下して戻つて粒子９３を
補充し、一方分離され消費されたガス１００ｂは
サイクロンセパレータ１０２又はそれに類似の手
段により反応器から外へ出る。

本発明のこの実施例では、種粒子とソースガム
との混合は、反応カラムの下部を形成している混
合室８２ａ内で起きる。ポート９１を介して貯槽
部分８４内へのソースガス８８のフイードバツク
又は漏洩は、ポート９１を指向する注入ガス８５
ａの十分な速度を維持することによつて防止され
る。ポート９１によつて作られるくびれ部はこの
フイードバツクを防止する上の助けになる。注入
ガス流８５ａの必要な速度は実験によつて容易に
決定できる。ガス９７がもはや持ち上げることの
できない大きくて重い粒子１０４はサンプ
（sump）１１２に落下し、そこでそれらの粒子は
重力により出口１０６内に移動し、気流バツフア
（baffles）１１１を通過し、採集されたシリコン
粒子１０５となる。

第４図に示した本発明の実施例の特徴は、貯槽
および／又は反応器内における粒子の加熱の一部
が、マイクロ波エネルギーをマイクロ波窓１１０
を通つて貯槽８１および／又は反応室８２内に結
合させるマイクロ波源１０９によつて行われるこ
とである。所望するならば別々のマイクロ波源を
貯槽８１と反応室８２に使用して、それら２つの
領域におけるマイクロ波加熱を別々に制御するこ
ともできる。装置を予め加熱して半径方向温度勾
配をより正確に制御できるようにするために、補
助の外部ヒータ１０８も具えられている。マイク
ロ波加熱の利点は、エネルギーを直接に種粒子に
結合させ、粒子を所望の反応温度範囲内に維持で
きるようにし、（シリコンの場合には950−1350℃
が有用であり、1050−1100℃が好ましい）、一方
では（もし所望するならば）反応カラム８２およ
び貯槽８１の壁の温度をそれより低温に保つとい
う点である。そのような配置は、化学的気相成長
がより高温の種粒子上で選択的に起きるが、反応
器自体のより低温の壁の上では化学的気相成長が
殆んど、又は全く起きない点で有利である。反応
カラム８２および貯槽８１の壁は投入（input）
ガス８５および８８をそれぞれ通すことにより種
粒子に比べて冷却される。種粒子を適当な温度に
維持するのを助けるために、貯槽８１は反応カラ
ムより高温に保つことが望ましい。気流バツフア
１１１は反応器８２の底部分１１２から採集され
た粒子を流出させる一方で、マイクロ波源１０９
によつて供給されるマイクロ波放射の漏洩を防止
するのに役立つ。

第４図のシステムは、ソースガス８８が貯槽８
１と熱的接触しており注入（非ソース）ガス８５
が反応カラム８２と熱接触している配置について
図示されているが、ソースガス８８が種粒子９３
を注入するための混合ガスとして用いられないな
らば、この熱的接続は本発明を逸脱せずに互換し
うることは当業者には明らかであろう。これは塊
状集積効果を避けるために必要である。

本発明を上記に説明したが、本発明の精神と範
囲内で種々の変形を行いうることが当業者には明
らかであろう。特に、本発明はシリコン以外の材
料を採集するのに使用でき、種々の相異なる大き
さの種粒子とともに作動することができるが、但
しガス速度５８又は９８を調節し、再循環するこ
とを所望する殆んどすべての粒子を運んで反応カ
ラムの上端から噴出し、一方ではより大きい粒子
を採集するようにする必要がある。更に、リフテ
イング作用を与える高速ガスを別個に反応カラム
内に注入してもよく、又はソースガス或いは粒
子、或いはそれらを組合せたものと混合してもよ
い。例えば第２図において、ガス入口４６および
４９の両方を主要リフテイングガス流の導入手段
として用いることができる。第４図では例えば、
ガス入口８９′および８８を粒子を持ち上げるた
めだけに使用することができ、一方でソースガス
は例えばオプシヨンとして具えられている入口１
１５を介して別に混合室８２ａ内に導入される。

反応室内で持ち上げられ運ばれる比較的小さい
粒子と反応室内に落ちる比較的大きい粒子との区
別は瞬間的に行われるものではないこともまた当
業者により理解されるであろう。成長しつつある
粒子が特定の速度のガス流中で上昇するか又は降
下するかに関するその粒子の関数として円滑な遷
移がある。更に、リフテイングガス速度は一般的
に云つて反応カラム直径全体にわたつて完全に一
様ではないので、差動作用は完全ではない。従つ
て、採集された粒子は、リフテイングガスの平均
速度で定められる所定の臨界サイズの付近の或る
範囲の大きさを有する。しかし、本発明の反応シ
ステムの差動採集作用は、種粒子の大きさが化学
的気相成長の結果として有意且つ有用な増大を達
成するまで種粒子が塊状集積を起こさずに反応器
内で自動的に再循環できるようにするのに効果的
であることが発見されている。種粒子に比べた採
集された粒子の大きさの比率、即ちD₀をできる
だけ大きくすることが重要である。という訳は、
この比率が大きいと反応器の効率が上昇する、即
ちソースガスから同一重量のシリコンを抽出する
のに要する種粒子の重量が軽くてすむからであ
る。従つて、V₀の大きな値、例えば＞0.5ｍ／秒
が望ましい。

更に、本発明を反応カラムの同図に共心的に配
置した貯槽を有する反応器システムについて説明
し図示し、これは熱損失を減少させ角対称を示し
より一様な粒子の流れを行うなどの重要な利点を
有するが、本発明の多くの利点、例えばガス−粒
子の接触が改良されていること、効率が高くなつ
ていること、粒子の塊状集積が起きないこと、保
守が簡単になつていること、保持板のないこと、
粒子輸送と差動採集、所量するCVD量がえられ
るまで粒子は連続的自動的に再循環するなどの利
点が他の利点および改良とともに他の反応カラム
−貯槽構成を用いて達成することができる。例え
ば、塊状集積を起こさずに種粒子を自動的連続的
に再循環させ、必要な混合ガスおよびリフテイン
グガスを注入し、新たな粒子を加え大きくなつた
粒子を採集する等々のための接続部品が第２図お
よび第４図に関連して説明されているように具え
られている限りにおいては、並列（side−by−
side）構成を用いることができる。

更に、本発明の装置および方法は化学的気相成
長について説明したが、他の種類の反応、即ち種
粒子上の被覆がソースガスからのみ得られる堆積
反応のみでなく、種粒子のサイズを大きくする被
覆又は材料が一部は種粒子自体から得られる反応
もまた行うことができる。例えば、種粒子を反応
させて窒化物、金属間化合物、又は化合物半導体
を含む被覆を有するようにしてもよい。実例とし
て、チタン含有ソースガスとシリコン種粒子自体
とを反応させることによつてシリコン種粒子を
TiSi₂により被覆して種粒子がTiSi₂被覆のためシ
リコンを供給できるようにし、又はチタンとシリ
コンの両方を含むソースガスを分解することによ
つてTiSi₂被覆を得ることができる。他の多くの
形成が可能である。

そのような変形をすべて本発明の精神および範
囲内に入るものとして含むことが意図されてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、シリコン生産に用いられる先行技術
の流動層反応器の断面図である。第２図は、本発
明による上昇粒子反応器を簡略化した形で示した
概略的断面図である。第３図は、移動するガス中
に置かれた球形粒子により経験される加速度と正
規化粒子直径との関係をストークスの法則を用い
て描いた図である。第４図は、更にもう１つの実
施例による本発明の上昇粒子反応器システムの簡
略化した断面図を示す。 第２図において、４０は上昇粒子反応器システ
ム、４１は貯槽カラム、４２は反応器カラム、４
３は種粒子入口、４４は環状貯槽空間、４５は注
入ガス（非ソースガス）、４８はリフテイング及
びソースガス４８，５３は種粒子、５５は第１ガ
ス−粒子混合物、５７は上昇ソースガス−粒子混
合物、６２はサイクロンセパレータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 種粒子とソースガスとを反応させる再循環反
   応装置であつて、前記種粒子を受け入れ、入口と
   出口を有する貯槽と、 １個の出口を前記貯槽に結合させ、前記種粒子
   より大きい第１所定サイズよりも小さい粒子を前
   記反応器入口から前記反応器出口へ持ち上げて運
   ぶことができるように適合された反応器と、 前記貯槽の前記出口に結合され、種粒子を前記
   貯槽から受け入れ、投入された非ソースガスとと
   もに第１ガス−粒子混合物を作る第１混合手段
   と、 前記反応器の前記入口に結合され、前記第１ガ
   ス−粒子混合物を受け入れ、前記ソースガスを含
   むガスと前記第１ガス−粒子混合物とを組合せて
   第２ガス−粒子混合物を作る一方で前記ソースガ
   スの前記貯槽内へのフイードバツク漏洩を防止
   し、前記第２ガス−粒子混合物が前記反応器の前
   記入口に運ばれる第２混合手段と、 前記第１混合手段、前記第２混合手段、両方の
   混合手段、又は前記反応器に結合され、前記第１
   所定サイズより小さい前記粒子を前記反応器内で
   持ち上げ運ぶのに十分な速度のリフテイングガス
   を供給するリフテイングガス入口手段と、 前記反応器の前記出口と前記貯槽の前記入口に
   結合され、消費されたガスと前記反応器から噴出
   され輸送された粒子とを分離し、前記噴出された
   粒子を種粒子として再使用するため前記貯槽に戻
   すセパレータ手段と、 前記反応器に結合されており、前記反応器内に
   残つている噴出されなかつた粒子を採集する採集
   手段と、 前記セパレータ手段に結合され、前記セパレー
   タ手段から消費されたガスを受け入れるガス抽出
   手段と、 前記貯槽に結合され新たな種粒子を前記貯槽内
   に注入する種粒子注入手段と、 前記反応器を加熱し、前記種粒子と前記ソース
   ガスとの間の反応を促進する加熱手段と、を具え
   る 粒子とソースガスを反応させ、被覆する装置。 ２ 第１所定サイズより小さい種粒子を反応室に
   結合している貯槽内に導入し、 非ソースガスである第１ガスを前記貯槽内に導
   入し、 前記貯槽内の前記種粒子を前記第１ガスによつ
   て撹拌し、 前記第１ガスと前記種粒子の一部とを混合して
   第１ガス−粒子混合物を作り、 前記第１ガス−粒子混合物を前記ソースガスを
   含むガスの流れの中に注入し、前記ソースガスの
   前記貯槽内へ実質的なフイードバツクを伴わずに
   第２ガス−粒子混合物を作り、 前記第２ガス−粒子混合物を前記反応室を通し
   て流し、前記反応室内において第１所定ガス速度
   を有するようにし、 前記反応室内の前記第１所定ガス速度を調節
   し、前記第１所定サイズより大きい第２所定サイ
   ズよりも小さい粒子の殆んどすべてを前記反応室
   を通つて出口末端方向へ運び、 前記反応室内の前記第２ガス−粒子混合物を加
   熱し、前記粒子を前記材料で被覆する為に前記ソ
   ースガスを反応させてより大きな粒子と消費され
   たガスを生じさせ、 前記第２所定サイズより大きい前記の被覆した
   粒子を前記反応室内において収集し、 前記の消費されたガスおよび前記第２所定サイ
   ズより小さい前記の被覆した粒子を前記反応室の
   前記出口末端から噴出させ、 前記の噴出させたガス速度を減速し、前記の噴
   出させたガスを前記の消費されたガスから分離
   し、 前記の噴出させた粒子を前記貯槽内に蓄積して
   その後の反応用の種粒子を収集し、 前記の収集した粒子を前記反応室から抽出する
   ことによつて前記の集めた粒子を採集する、こと
   を具える 粒子を少なくとも一部分はソースガスから生じる
   材料で被覆させる方法。