JPH0386228A - 環状加熱流動床反応器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は改良された加熱流動床反応器、及びそのような
反応器を加熱する方法に関する。好ましい具体化に分い
ては、本発明はシラン含有ガスの熱分解による多結晶性
ケイ素の製造に使用する改良された加熱流動床反応器に
関する。

流動床反応帯域に必要な熱を供給するためには種々の手
段が当業界に知られている９例えばシラン含有ガスのケ
イ素への熱分解においてはＭｃＨａｌ　ｅに対する米国
特許第４．２９２．３４４号明細書において論じられた
ように流動床反応帯域の容量的加熱により熱を供給する
ことができる。均一誘導コイル、電気抵抗要素及び間接
ガス燃焼加熱器のようなその他の加熱方法もまた使用さ
れており、Ｌｉｎｇに対する米国特許第３゜０１２．８
６１号明ａ書及びＢｅｒｔｒａｎｄらに対する米国特許
第３，０１２，８６２号明細書に開示されている７適当
な熱伝達流体及び誘導加熱器または電気抵抗加熱器もま
た慣用の流動床反応器の表面に対する熱の直接的供給手
段の例である。これらの手段は或種の流動床応用の目的
に対しては適切であるけれど、その中に生ずる反応の性
質及び流動床の熱の必要性の故に、その他の流動床応用
に対しては必ずしも十分ではない。

例えば、流動床反応帯域におけるシラ〉′含有ガスから
の多結晶性ケイ素の製造に当たって流動床の壁面に熱を
供給するためρ慣用の手段は一般的に不十分である。こ
の例においては、ゲイ素粒子は流動ガス流中に懸濁し、
該流動ガス流中にシラン含有ガスが導入される。望まし
くはプロセス条件を、シラン含有ガスの分解が流動床の
高温壁土におけるよりは流動床のケイ素粒子表面上にお
いて不均一に生ずるように維持する、ゲイ素粒子はその
上におけるケイ素の析出により成長しかつ大きくなって
十分に大きなケイ素生成物粒子が生成され、次いで反応
帯域の下の補集帯域から取り出される９ 流動床反応帯域壁に熱を供給することにより、該壁の温
度がゲイ素粒子の温度に比較してより高くなる。このこ
とは、流動「ヒケイ素粒子の表面上への望ましいケイ素
の析出よりもむしろ反応帯域壁上Ｉ＼のケイ素の望まし
くない析出をもたらすことがある、反応器壁上ｌ＼のケ
イ素の析出はケイ素粒子表面上Ｉ＼析出するケイ素の量
を減少させるほかに、熱が通って移動しなければならな
いｊａ加の層の故に反応帯域Ｉ＼の熱伝達係数を減少さ
せろ効果を有する それ故、例えば高純度多結晶性ケイ素の製造用の改良さ
れた加熱流動床反応器として有用な改良された加熱流動
床反応器に対する要求が存在する。

魚咀Ω叉迫 本発明は改良された加熱流動床反応器、及び該反応器に
熱を供給する方法に関する４該改良された流動床反応器
は、内部流動床反応帯域を囲む周辺加熱帯域環を含む反
応容器を包含する。熱源が、加熱帯域環中に含まれる流
動床粒子に熱を１＃：給する、加熱帯域は、初期流動ｆ
ヒ状態（ ｉｎｃｉｐｉｅｎｔ　　ｆ　１ｕｉ＋１ｉｚｅｄｓ　ｔ
　ａ　ｔｅ　）において流動床か＾の粒子を測面的に閉
じＪムめろ、加熱帯域環は、流動床からの粒子を４入す
るための上部入口と、加熱帯域環からの加熱粒子を内部
反応帯域中に１人するための下部出口とを包念する。熱
は内部反応帯域の境界を通して、及び加熱帯域環の下部
出口から内部反応帯域に入る加熱帯域環の加熱された粒
子により内部反応帯域に供給されろ。

らう一つの実施態様において本発明は、加熱された粒子
を周辺加熱帯域環から内部流動床反応帯域に導入するこ
とにより、流動床反応帯域に熱を供給する方法に関する
。該周辺加熱帯域環は反応容器内の内部反応帯域を囲ん
て′いるへ該周辺加熱帯域環は流動床からの粒子を導入
するための上部入口と、加熱帯域環からの加熱された粒
子を内部反応帯域に導入するための下部出口とをａａす
るへ加熱帯域間における流動床からの粒子は初期流動ｆ
ヒ状解にあり、しかも内部反応帯域中役び外部反応帯１
！！壁によって側面的に閉じ込められている。

黙が、外部加熱帯域壁の外部に配置される加熱手段によ
−νて外部加熱帯域壁を通して１周辺加熱帯ｆ！ｉ環内
の粒子に供給される。

なおもう一つの実施態様において１本発明は加熱された
内部流動床反応帯域におけろシラン含有ガスの熱分解に
よる高純度多結晶性ゲイ毒力製造方法である。熱が、内
部反応帯域の境界を通って。

しかも加熱されたゲイ素粒子によって内部反応帯域に供
給される。該ゲイ素粒子は周辺加熱帯域環を通過後に内
部反応帯域に導入されたら力である周辺加熱帯域環は内
部反応帯域壁と外部加熱帯域壁との間の環状空間によっ
て定められる、熱は外部加熱帯域壁の外側に配置された
加熱手段によって１周辺加熱帯域環における粒子に供給
される本発明により、周辺加熱帯域環を包含する改良さ
れた加熱流動床反応器が提１＃、される、本発明のその
池の目的、特徴及び利点は図面を参照して、下記の本発
明のある種の好ましい実施態様の記載から容易に明らか
となるであろう。変更及び改良が本発明の新規な概念の
要旨及び範囲を通説することなく行われ得る事を理解す
べきである。

本発明はシラン含有ガスをケイ素（シリコン）に熱分解
することについての好ましい具体化に関するものである
。本発明は熱のインプットを必要とする流動床操作の他
の型のものにも等しく適用し得るものである。このよう
な操作の例には、粒子の流動床が熱のインプットを必要
とする接触反応、イオン交換反応、分離操作などが含ま
れる。

ここで用いられる「不均一分解」は、分解がガスと固体
相の間の境界で起こるときのような二つまたはそれ以上
の相で起こる、シラン筐たはハロシランのケイ素への還
元をいう。この不均一分解の結果、ケイ素が流動床のケ
イ素粒子の上に、または流動床反応器の内面に沈積する
ことになる。

「均一分解」は、ガス相のような単一の相に起こり、そ
してミクロンまたは１ミクロンより小さい（サブミクロ
ン）大きさの範囲の大きい表面積のケイ素粉末筐たはダ
ストを生ずる。

一般に、与えられた温度で、シラ／及びハロシランの分
解は、シラン及びハロシラン含有ガスの濃度に依存して
不均一および／または均一である。

一般に、低いシラン及び／又はハロシランの供給濃度は
、シラン含有ガスとハロシラン含有ガスのケイ素への分
解を不均一様式に維持するために望ましい。しかしなが
ら、シラン含有ガス及び／又はハロシラン含有ガスの供
給濃度を非常に低くすると、ケイ素の高い生産率が得ら
れない。

「ケイ素種粒子」という用語は、大きさが約５０ミクロ
ンから約４００ミクロンの範囲にわたる流動床の粒子を
意味する。そのような粒子はケイ素がその上に沈積され
ると生長して、大きくなう、それは結局ケイ素生成物粒
子として捕集される。

「ケイ素生成物粒子」は、少なくとも約４００ミクロン
の大きさに、好ましくは約４００ミクロンから約１３０
０　ミクロンの大きさの範囲にわたって大きくなったケ
イ素種粒子である。そのようなケイ素生成物粒子は、反
応域の底部近くの捕集域で分離し、そして慣用の手段で
回収できる。「ケイ素粒子」という用語は、流動床のケ
イ素種粒子とケイ素生成物粒子の両方を含む。

「ケイ素粉末」という用語は、シラン及び／又はハロシ
ラン含有ガスの均一分解に起因するほぼミクロンから１
ミクロンより小さい（サブミクロン）範囲の大きい表面
積のケイ素をいう。

ここで用いられているように、「シラン含有ガス」とい
う用語は、別に示さない限シ、シラン及び／又はハロシ
ランの両方！たはどちらか一方を含有するガスをいう。

ここで用いられる「全流動化ガス」という用語は、シラ
ン含有ガスと、ケイ素粒子の流動化の際に助けるために
及び／又は反応速度或は熱伝達を制御するために流動床
反応器に加えられる任意他の付加的なキャリヤーガスと
の組み合わせを指す。

多結晶ケイ素は、シラン含有ガスの流れを、反応域に浮
遊されるケイ素粒子の加熱流動床の中へ導入することに
よって製造する。これらのケイ素粒子は、反応域を介し
て入って来るシラン含有ガスとキャリヤーガスとの上向
きの流れにより浮遊させる。反応域を通る全ガス速度は
ケイ素粒子の最小流動化速度以上に保たれる。反応域の
ケイ素粒子の温度は、シラン含有ガスの分解温度とケイ
素の融点温度との間に維持される。プラン含有ガスは、
分解されてケイ素を形成し、このケイ素がケイ素粒子の
表面に沈積する。ケイ素がケイ素粒子の上に沈積するに
つれて、そのような粒子が大きくなり、そして流動床の
底部近くの捕集域で分離する。捕集した生成物粒子は慣
用の手段により捕集域から回収する。

シラン含有ガスを、流動床反応域へ、その底部から慣用
のプラクチス、例えばガス分配器にしたがって導入する
ことができる。

シラン含有ガスは希釈せずに導入してもよいし或は該ガ
スは水素、或はアルゴン、ヘリウムなどのような不活性
キャリヤーガスで希釈してもよい。

ガス分配帯域において、冷却水、窒素又はその他類似物
により分配器表面は約２００１：から約４００℃に亘る
温度に冷却される。冷却器温度はシラン含有ガスの早期
分解を阻止するために保持する。

ここで用いられているように、「平均直径」という用語
は、与えられた粒子直径と、与えられた直径の粒子がも
っていると見做されるそれぞれの重さ部分との商の和を
意味する。流動化ガス速度は、流動床の種粒子のための
最小流動化速度の約４〜６倍であるのが好ましい。最小
流動化速度は、次の等式のような当該技術で知られた慣
用の手段により決定できる。

ここで ■　＝流動化のための最小の表面ガス速度（ｆ　ｔ／ｓ
　）ρ　＝流動化ガスの密度（ｇ／−３） ρ　３粒子の密度（ｇ／ｃ！ｎ） φ　３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（ｇｂ／ｆｆｔ−５）　＝重力の加速
度（ｆｔ／ｓＱ 最小流動化速度は、ガス粘度およびガス密度、ならびに
平均粒子直径、粒子形状シよび空隙重分の強力な関数で
ある。従って、最小流動化速度は上記７アクタの小さな
変化で広い範囲をカバーする。

ミニに記載力流動床反応器において−ｅ結晶性ケイ素を
製造するに当たって、ケイ素種子粒子を流動床反応帯域
に供給しむければならない　流動床に補充用種子粒子を
供給するために生成物Ｊ）′シ・部分を１紋細な種子寸
法粒子に適当に破砕または粉砕することができる一次い
て′これら力粒子を流動床に再導入することができろに
れらの小さな種子粒子は導入直後に、シラン分解から生
じたケイ素の析出の為の部位となる、シランが汁解し、
か−）ケイ素が析出するにつれて粒子は成長し寸法が大
きくなろ一該大きくなったケイ素生成物粒子は反応帯域
の底部１１近の捕集帯域において分離されろ２該ゲイ素
生成物粒子は該生成物粒子を捕集帯域から連続的に、ま
たは周期的に収り出すことにより捕集さｈろ７該生成物
粒子は高純度ゲイ素物質の不当な汚染を伴うことなく容
易に取り扱う力に十分な寸法のものである一流動床を構
成する粒子０個々のタイプは本発明自体に対して臨界的
て′はないことを理解すべきである　粒子は、当業界に
公知の種／−ｆ１流動床用に通常に曲中されるクイアカ
ものでよい。

本発明の好ましい実施態様による流動床反応器は一般的
に、内部で所望の流動床反応が行われる垂直型反応器で
ある。好まｉ−い反応は、流動床反応帯域におけるゲイ
素粒子上に析出するケイ素へのシラン含有ガスの熱分解
である５本発明に関する流動床反応器は内部反応帯域を
取り巻く周辺加熱帯域環を包含する２加熱帯域環力内部
境界は。

粒子力点動床を収り巻に内部反応帯域壁により定め八れ
る。加熱帯域環の最外側境界（すなわち、外部加熱帯ｔ
！Ｊ、壁）は円筒状反応容器のライナー壁によって定め
られる。この配置は、大きな外部円筒〈すなわち、外部
加熱帯域壁）内に配置される小さな内部円筒（すなわち
、内部反応帯域壁）に類似する、該小さな内部円筒の内
側は反応帯域を定め、内部円筒と外部円筒との間の環状
空間は周ｊ２１加熱帯域環を定めろ、円筒状の容器と反
応帯域とが好ましいけれど、空間が１反応容器壁又はラ
イナーと内部反応帯域壁と０間に加熱帯域環を提供する
限り、流動床操作に受は入れられろ（壬意の配列を使用
することができろことを理解すべきである〜 個グ力反応容器および反応帯域の寸法は本光明の実施に
対して臨界的ではない　個りの寸法は主として設計の経
済学に関係する一反応帯域は侠すぎてはならず、侠すぎ
ては低生成効率をらたｔ′、すしかしながら、大きすぎ
てはな４ず、大きすぎては熱伝達の非効率および床流動
化の困難性に関連する大きなＬネルギーコスｉ・をもた
らす、ケイ素の生成に当たって、内部においてゲイ素粒
子が全流動ガス流により勉濁される反応帯域の床高材床
直径の比は約１・ｌから約ｌＯ：１まで。

好ましくは１：１から約５・１までの範囲にわたる、当
業者は床高材床直径の個々の比は主として全流動ガス速
度、ゲイ素種子粒径及びケイ素生成物粒径に関係するこ
とを認識するであろう一反応帯１！１ｉの直径は好まし
くは約１５ｃｍないし約１２２　Ｃｍの範囲にわたり、
さムｔに好ましくは０３０　Ｃｍである、周辺加熱帯域
の外部境界を定めろ外部円筒（すなｊ）ち、外部加熱帯
域壁）は、反応帯域を定める内部円筒に関して同心的に
配置することが好ましい、外部円筒の長さは１反応帯域
を定めろ内部円筒力長さに等しいか、又は好ましくはそ
れより乙大きい、外部円筒の好ましい増大さｈた高さに
より解放（ｄ　ｉ　ｓｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ）帯域が得
られ、該解放帯域は、輸送されてきた粒子をして、その
上方への速度を失わせ、流動床又は加熱帯域中に：″￥
！下させろ、外部円筒の直径は好ましくは約１８ｃｍな
いし約１４２　ｃ　ｎｌにわたり、！＆も好ましくは約
ｄ　１　ｃ　ｍであって、約Ｌｃｍないし１０　ｃ　ｒ
ｎ、好ましくは約５　Ｃｒｎの幅を有する加熱帯域環を
提「共する 周辺加熱帯域環は上部入り口を色合１−　、該上部入り
口は、内部流動床から流動ｆヒ粒子の一部を流λさせろ
、加熱帯域環を通り反応帯域中に戻る粒子力ぶれに′）
いての理解を容易にするために、内部床及び環状加熱帯
域における粒子が初期的に流動（ヒされる本発明につい
て考慮すべきである、初期的流動ｆヒ状態とは、流動ガ
スが床に対する最小流動ｆヒ速度丁度上回る速度におい
て通過する粒子の床の状態を言う、すなわち、初期流動
化においては全床及び全加熱帯域環は液体状に挙動する
緻密な泪より戊ろ、この状態においては、粒子の対流輸
送は行われない、なぜならば内部床及び環状加熱帯域の
両方におけるがさ密度が同一であり。

したがって循環に対する駆動力がないからである〜内部
反応帯域を通過する流動ガスの流れが増大する場合、内
部床において泡の形成が始まるーこれにより、内部床は
彫版し、そのゆえに初期的に流動ｆヒされた加熱帯域環
よりも低いがさ密度を有することになる、定常状態にお
いて内部床と環状加熱帯域におけろ粒子の床との両方が
内部反応帯域壁上に伸びるなＪｔば、それぞれの床頂部
分は同一の自由空間を共有し、その故に内部反応帯域壁
の頂部におけろそれぞれの床の圧力は同一である自由空
間とは流動床の上面と反応容器の頂部とヵ間の反応器の
部分を意味する、しがしながら、床の底部においては圧
力は、環内における物質の高かさ密度の故に管内におい
てより一層高い８このことは環状加熱帯域力底部から内
部反応帯域の底部までにわたる圧力勾配を生ヒさせろ、
この圧力降′Ｆは加熱粒子を加熱帯域環から内部反応帯
域に導入する為の駆動力として作用する 加熱帯域環中の粒子を非流＠ｆヒ状態に維持することは
可能であろけｔＬど粒子は初期流動化状態に５ろことか
好ましい　なぜならば、外部加熱帯域壁か４初朋流動ｆ
ヒ粒子Ｉ＼の熱伝達（糸数は外部加熱帯１！！！壁から
非流動ｆヒ粒子ｌ＼の熱ｆ五速係数よりも大きいからで
ある。流動化粒子の流れは面体に類似するので初期流動
化状態の粒子もまた加熱帯域環から、非流動ｆヒ状態の
粒子より乙、より容易に、かつより均一に反応帯域に再
導入される。

周辺加熱帯域の底部は出口を色合し、加熱帯域を下方に
通過した後の加熱された粒子は該出口を通って流動床中
に導入されろ１粒子が加熱帯域を下方に通過して流れろ
際に、該粒子は外部加熱帯！！！壁の外側に配置された
加熱手段から熱を吸収する　次いて′そ０熱は加熱粒子
を反応帯域に導入する二とにより流動床に運ばれろ、熱
は、内部反応帯域を収り巻く内部反応帯域壁を通っても
内部反応帯域に供給される事を理解すべきである　なぜ
ならば環は反応帯域よＩ）高温であるが−′″）？ある
一１ＩＩ熱−ｉ￥敏環の底部におけろ内部床導入り口は
慣雨の流１本用のオリフィスに類Ｏシする作用をする通
過の質量流量はオリフィスをわたってジ）圧力降下の平
方根に比例し、がっ開口面積に比例する開口面積は、シ
ランの加熱帯域環中Ｉ＼の拡散を最小１ヒするために、
良好なデザインパラメーターｃ５こ一致してできるだけ
小さく保つべきである　環と内部床との間の粒子の循環
は入口オリフィスをわたっての圧力降下を変えることに
より、又は五本ジエ・ソト力ような池の手段を使用する
ことにより変動させることができる　圧カ降丁は環にお
けろ流動（ヒ度により定まる　流動１ヒ度が高ければ高
いほど圧力降下は小さてなり、したがって内部反応帯域
と加熱帯Ｉ！Ｉｉ環との間の物質循環は小さくなろ環状
加熱帯域における粒子床内自由表面を内部反応帯域壁の
頂部の下方に（ａつことが望まヒい状態においては、内
部反応帯域かｈの流動１ヒ粒子はＡ４４．壁の頂部をＪ
！ｌｉえて流りて環内に落ちろ、こＪ）状態はシラン反
応器からの生成物粒子のバ・ソチ取り出５攪においてら
生ずることがあった、いずｉＬの１′４ｋにおいてら、
定常状態下においては、環状加熱帯域における床Ｊ）高
さは、環Ｉ＼の粒子力質量流ｔＬが環からの粒子の質量
流量と平衡１−でいる位置に自動的に調整されろ　平衡
高さを設定する場合。

外部加熱帯Ｈ壁の外部に配置される加熱手段の高さに少
なくと乙相当する平衡高さを確保することそ考慮すべき
である シラン熱分解反応、７）特定例においては、ケイ素か上
面に析出する力を防止するために外部加熱帯域壁をシラ
ン含有ガスから隔離することが望ま１−い　こｈは加熱
帯域環におけろ粒子を、いかなる実質量のシランをら序
在させずに水素または不活性キャリヤーガスによって流
動ｆヒすることにより遠戚される、加熱帯域環を通るガ
ス流の抵抗は反応帯域を遍ろ抵抗に比転して大きい力で
１反応容？ト＼、７）流入俺におけろいかなるガスの混
訃し一般的に、環状加熱帯域から、２′）流動ガスが１
反応帯域の粒子を流動１ヒするために使用されるシラン
含有ガス中に混入する結果である、若干量のケイ素が内
部反応帯域壁土に析出し、その故に加熱帯域環から内部
加熱帯域壁を通って反応帯域ｌ＼力力伝動効果減少させ
るけれど、加熱帯域環からの加熱されたゲイ素粒子の増
大された流量により該損失が相殺されろ。

好ましくは加熱帯域は反応容器内のライナーの内部周辺
上に配置される、熱は加熱手段により／ＩＩ熱帯域に供
給される。該加熱手段はシランの熱分解においては加熱
帯域におけろ粒子の温度をシラン身有ガスｆ１熱分解温
度とケイ素の融点温度と０間に保つ、該温度は好ましく
は約２０　（１（：と　約１４００℃との間、最も好ま
しくは５５０Ｃと約１０００℃と０間０範囲にわたる、
加熱手段は任意の形式の抵抗加熱、伝導加熱、誘凛加熱
及び又は外部加熱帯域壁を通して加熱帯域に熱を供給す
るためのその他の慣用の手段であることかで′き流動床
反応帯域は加熱帯域により囲まれ１反応容器の残りの内
部部片を占有する、反応帯域は周３１加熱帯ｔ４．ｉ下
部出口から内部反応帯域に導入さｉｔた加熱された粒子
との相互反応により、及び内部反応帯域壁を通って反応
帯域から供給されろ熱により加熱されろ、シランの熱分
解においては、流動床反応帯域におけろ粒子小温度は約
２００　Ｃないし約１４００Ｃ，好ましくは約５５０Ｃ
ないし約１ｏｏｏ″Ｃの範囲にわたる　周辺加熱帯域環
におけろゲイ素粒子の温度は約３００　Ｃないし約１４
００°Ｃ１好ましくは約５５０　Ｙ：ないし　　約１０
００Ｃ力範囲にわたる。

それ数本発明は熱が１周辺加熱帯域において７Ｊ［Ｉ熱
された流動床の粒子によって流動床反応帯域に供給さｈ
る。加熱さｈた流動床反応器を提１共するシラン、７）
熱片前に関する特定の応用に：ｊいて７１［＋熱帯Ｉ！
１２環は外部加熱帯域壁を、その上に：５いて分解１−
て加熱帯域Ｉ＼の、したがって西部反応帯域Ｊ＼の燕伝
達を抑制すること力あろシラン含有カスから。

隔離する作用をする１本発明は、ｊｆｚ（寸図面と共に
考慮した場シに下記の若干の好ましい実Ｒｆｉ態様の記
載から、より一層明らかとなるであろう　該図面は本発
明の単なる例示として示すものであり、本発明をなんら
限定するものて′はない、第１図において、シラ／含有
ガスの熱分解による高純度多結晶ケイ素生成物粒子１９
の製造に有用な反応器においてケイ素粒子１６が流動化
される。導管２１におけるシラン含有ガスが、流動床反
応帯域２３の直下に配置されたガス分配板の部分２５の
下方の流動床反応器１２の底部に入る。

管路２１に３ける水素ガスもまた周辺加熱帯域環１２の
底部に導入される水素ガス及びシラン含有ガスは、それ
らガスがガス分配板を通過した後まで互に接触すること
ができないように壁３０により隔離される。ガス分配器
上の流動床反応器１２内の水素ガスとシラン含有ガスと
の混合は、加熱された粒子２４を流動床反応帯域２３に
再導入させるに必要な間隙を考慮に入れて内部反応帯域
壁１５の下端を分配板にできるだけ接近させて配置する
ことにより好ましく制限される。水素ガスはガス分配板
の部分２６を上方に通過し、加熱帯域環２７における粒
子２４を、シラン含有ガスの実質量が水素ガス中に混入
されることなく、加熱帯域環２７における粒子２４を流
動化する。シラン含有ガスは粒子１６０床の直下の流動
床反応帯域２３に入り、好！シ＜は！つすぐに上方へ通
シ、水素中に混入することなく床２３を流動化させる。

生ずることのある、いかなる混合も、シラン含有ガスが
水素含有ガス中に混入するのとは反対に、水素ガスがシ
ラン含有ガス中に混入することにより生ずることが好ま
しい。外部加熱帯域壁１０（例えば石英ライナー）をシ
ラン含有ガスから隔離することにより、外部加熱帯域壁
１０の熱伝達表面上に析出するケイ素の量が最小化され
る。

周辺加熱帯域環２７を通過したケイ素粒子１６により、
しかも内部反応帯域壁１５を通して流動床反応帯域２３
に熱が供給される。周辺加熱帯域環２７は流動床反応帯
域２３の内部反応帯域壁１５と反応容器１２の外部加熱
帯域壁１０との間の空間を占有する。周辺加熱帯域環２
７は側面的に閉じ込められたケイ素粒子１６を含有する
。該ケイ素粒子は上部入口１３を通って加熱帯域環２７
に入ったものである。ケイ素粒子１６は反応帯域２３に
３けるガス速度に比較して加熱帯域２７を通過する、よ
り低い流動ガス速度の故に流動化開始状態にある。熱は
熱源１４から外部加熱帯域壁１゜全通して伝導熱伝達に
より流動化開始されたケイ素粒子２４に供給される。流
動化開始されたケイ素粒子２４は周辺加熱帯域環２７を
下方に通過しそこで粒子２４が熱源１４から熱を収受す
る。周辺加熱帯域環２７の底部付近にケイ素粒子２４を
加熱帯域環２７から流動床反応帯域２３に導入するため
の出口１７がある。加熱帯域環の下部入口１７は成る種
のタイプの駆動力（パルスガスジェットのような）を使
用して流動床反応帯域２３へのケイ素粒子２４の導入を
促進することができる。

穿孔板２５を介して流動床反応帯域２３に入るシ２ン供
給ガスはケイ素に熱分解されて、ケイ素粒子１６上に析
出する。このケイ素粒子１６は大きくなって、ケイ素生
成物粒子１９を形成する。この生成物粒子１９は流動床
反応帯域２３の底部付近の捕集帯域において分離し、矢
印（→）２２によって示されるように集められる。副生
物の水素と、床の底部に入って来る他の流動化ガスとは
、上方出口１１を介して流動床反応器２３ｔ−出て行く
。加熱帯域環状部２７は、シラン含有ガスから外側加熱
帯域壁１０を隔離し、その結果ケイ素の析出を阻止して
、加熱帯域２７への熱伝達効率を減少させる条件となる
。ケイ素は内部反応帯域２３の壁１５に析出して、その
結果壁１５を介して熱伝達効率を減少させることになる
けれども、そのような減少は、熱を反応帯域２３に伝達
する主要な源は、内部反応帯域２３に再び入って来る加
熱されたケイ素粒子２４によって導入される熱であるか
ら、最小限度の影響である。

第２図に関し、周囲加熱帯域環部２７は、反応帯域２３
の同心的に配置された壁１５と外側加熱帯域壁１０とに
よって形成される。熱は、加熱源１４により、外側反応
帯域壁１０を介して加熱帯域環部に供給される。反応帯
域壁１５と、外部加熱帯域壁１０との間の環状域に、初
期流動状態のケイ素粒子２４がある。このケイ素粒子２
４は、上部入口１３を介して加熱帯域環部２７に入って
来た反応帯域２３のケイ素粒子１６より成り、最終的に
反応帯域２３の中に再導入される。

ここに記載した本発明の好ましい具体例への改変及び変
更は本発明の精神及び範囲を逸脱するこ望剃行うことが
できる。次に掲げる実施例は本発明を説明するものであ
るが、この実施例は限定を意図したものではない。

実ＪＬｆ生ユ 以下の実施例は第１図に例証した流動床反応器に類似の
もので１〒う。流動床反応領域は、３０ｃｍの直径を持
つ反応領域石英製壁によって制限されている。流動床反
応領域は、６０ｃｍの直径を有しそしてＬｏｃａｌの厚
さの絶縁体で囲まれているステンレス製ジャケント内に
包み込まれている。

１．２００°Ｃで運転するカンタル・ヒーターをステン
レス製ジャケントの内壁に取付ける。このヒーターは約
５０ｃｍの内径を有している。反応領域壁とカンタル・
ヒーターとの間に、内径３９．５ｃｍで厚さ０．５のの
石英製ライナーかあ、る。石英製ライナーは反応領域内
壁と石英製ライナーとの間に生しる厚さ４．７５ｃｍの
環状加熱領域をカンタル・ヒーターから隔離している。

流動床反応領域は直径的３００〜８００　ミクロンの範
囲の珪素粒子を含有している。流動床反応領域の粒子は
２゜容量２のシランと８０容量χの水素との気体状混合
物によって流動させられている。環状加熱領域に占める
粒子は１００容量２の水素によって流動させられる。シ
ランと水素ガスを、反応領域及グ環状加熱領域の下に位
置する慣用のガス分配器を通って流動床反応領域及び環
状加熱領域に入れる。水素ガス及びシラン含有ガスはガ
ス分配器より下流で、水素ガスとシラン含有ガスとを混
合させない別の室に導入する。水素ガス（７７３’　Ｋ
）を、環状加熱領域の下にあるガス分配器の位置より下
の室に入れる。シラン含有ガス（３００’　Ｋ）は、流
動床反応領域の下にあるガス分配器の位置の直ぐ下の室
に入れる。流動床反応領域の為のガス分配器におけるシ
ラン含有ガスの見掛は速度は約７０　ｃｍ　／秒であり
、反応領域での８００ミクロンの粒子の最小流速に相当
する。

ガス分配器での水素ガスの見掛は速度は約４２１７秒で
ある。シランガス分配器は、大きい方の末端において杓
３Ｑｃｍの直径及び約５ｃｍの高きを有する小さい方の
末端において約５ｃｍの直径を有している。ステンレス
製ジャケントの部分は、９２ｃｍの外径及び９ｃｍの厚
さを持つ三つのフランジによって適切に保持されている
。反応容器は２６３．０ｃｍの高さを有しそして、１５
０．Ｏｃｔｌｌの高さの流動床の頂部より上に１１３　
、０　ｃｍ伸びている。

反応器の圧力は約２気圧に維持する。

流動床の頂部の温度は９２３’　Ｋでありそして流動床
底部の温度は８２３°にである。シラン含有ガスが通過
する分配器円錐体部分の温度１よ、雰囲気温度の約３０
０°にと共に５２３°Ｋに維持する。水素ガスを環状部
に導入するのに使用される分配器の部分の温度は約７７
３°にである。

加熱領域環状部の温度は約９３３°にである。流動床の
濃密槽は約０．４６の空隙率を示しそして環状加熱領域
は約０．４６の空隙率を示す。流動床の熱移動特性を以
下に総括掲載する： 壁と流動床との間 の熱移動係数；　　　　０．００７１７ｃａｌ／　ｃｍ
”−秒−’ｃライナーの熱伝導率；　０．０１１６ｃａ
ｌ／　ｃｍ”−秒・”ｃライナーの放射率、　　　０．
６０ 絶縁体の熱伝導率：３．４５Ｘ１０−’Ｃ，＋１／’　
ｃｍニー秒・’ｃ珪素の熱容量；　　　　０．１６８　
ｃａｌ／ｇ　・’Ｃ加熱領域環状部を通りそして流動床
反応領域に入る粒子の質１流速は１１　ｋｇ／秒である
。環状部を通る下方への粒子速度は８．６２　ｃ１！Ｉ
／秒である。カンタル・ヒーターから反応器への全電力
入力量は、外側加熱領域壁を形成する石英製ライナーを
囲む約１１５．０１の高さのカンタル・ヒーターを用い
て１１０キロワツトである。

熱損失及び以下のものに起因する入力量を考慮し：（１
）シランの分配器；（２）生成物及び流出流；（３）フ
ランジ；（４）流動床の頂部と底部からの放射：（５）
絶縁及び（６）流動床壁を通してのカンタル・ヒーター
からの熱移動； そして以下のことを仮定した時：（１）流動床反応領域
の温度が該流動床の底部の小さな領域を除いたあらゆる
所で一定である；（２）加熱領域環状部の温度があらゆ
る所で一定である：（３）反応領域と環状加熱領域との
間の石英製壁を通る熱移動が無視される；（４）石英製
ライナーの温度が軸方向で一様である；（５）シラン分
配器温度が一定でありそして流動床とシラン分配器との
間の熱移動が流動床の温度と分配器の温度によって決定
される；（６）水素分配の温度が水素供給ガスと同じで
ある；（７）ヒーターとライナーとの間の熱移動が放射
だけによって生しる；（８）シラン供給流れが雰囲気温
度で分配器に入りそして生成物の珪素及び流出ガスが流
動床の温度で反応器を離れる；（９）循環する珪素粒子
が流動床の温度で環状加熱領域に入りそして環状加熱領
域を該加熱領域環状部の温度で離れる；及びＧＯ）流動
床とヒーターとが黒体として放射する； 流動床の温度は、シラン含有ガスを珪素に経済的分解す
るのに明らかに適する６５０℃であると決められる。

本発明は、流動床、例えばシランを珪素に分解する為の
流動床に、多量の熱損失のある冷却される分配器に近い
領域で高い熱流動率（ｈｅａｔｆ　ｌ　ｕｘ）を提供す
る。また本発明は、加熱面に珪素が沈着するのを、シラ
ン含有供給ガスを加熱された反応器壁から離すことによ
って抑制するかまたは回避することができるシラン熱分
解反応器に等しく重要な長所を有している。更に、内部
反応領域壁への珪素の沈着で生じる熱移動効率の如何な
る低下も最小である。何故ならば、内部反応領域への熱
移動の第一の原因が環状加熱領域の加熱された粒子を内
部反応領域に導入することであるからである。

本発明を、有利な通用例及びパラメーターを含む種々の
Ｍ様に関して説明した。前記の明細書を読んだ当業者は
、ここに説明した広い概念から逸脱していない種々の変
更、均等物の置換及び他の改変を行うことができるであ
ろう。従って、ここで特許される特許請求の範囲は添付
した特許請求の範囲に含まれる規定及びそれに均等な範
囲によってのみ制限されるものである。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の好！しい具体例による環状加熱式動
床反応器の断面を説明するものである。 第２図は本発明の好ましい具体例による環状流動床反応
器の頂部断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）反応容器； （ｂ）内部流動床反応帯域を囲む周辺加熱帯域環を定め
   る、反応容器内に設置される手段であつて、ここに該加
   熱帯域環は流動化開始状態における流動床からの、側面
   的に閉じ込められた粒子を含有し、該加熱帯域環は、流
   動床から粒子を導入するための上部入口と、加熱された
   粒子を内部反応帯域に導入するための下部出口とを包含
   し、加熱帯域環の下部出口を通つて内部反応帯域に入る
   加熱帯域環の加熱された粒子は内部反応帯域に熱を供給
   するものである前記手段； （ｃ）内部流動床反応帯域を定める手段； （ｄ）加熱帯域環に熱を供給するための加熱手段； を包含して成る改良された加熱流動床反応器。 ２、周辺加熱帯域環を定める手段が内部反応帯域壁及び
   外部加熱帯域後を包含する請求項１記載の改良された加
   熱流動床反応器。 ３、加熱手段が、周辺加熱帯域環を部分的に定める外部
   加熱帯域壁に熱を供給する請求項２記載の改良された加
   熱流動床反応器。 ４、周辺加熱帯域環を部分的に定める外部加熱帯域が石
   英ライナーである請求項２記載の改良された加熱流動床
   反応器。 ５、内部流動床反応帯域を定める手段が、加熱帯域環を
   部分的に定める内部反応帯域壁を包含する請求項２記載
   の改良された加熱流動床反応器。 ６、周辺加熱帯域環の下部出口が、加熱された粒子を加
   熱帯域環から反応帯域に導入するための手段を包含する
   請求項１記載の改良された加熱流動床反応器。 ７、加熱された粒子を反応帯域に導入するための手段が
   反応帯域に向けたパルスガスジェットを包含する請求項
   ６記載の改良された加熱流動床反応器。 ８、反応帯域が、流動床内の平均直径を有する流動粒子
   に対して必要な最小流動速度の約２倍ないし８倍の範囲
   にわたる流動ガス速度によつて特徴づけられる請求項１
   記載の改良された加熱流動床反応器。 ９、（ａ）シラン含有ガスのための下部入口、ケイ素生
   成物粒子の取出しのための下部出口、ならびに未反応シ
   ラン含有ガス及びシラン含有ガスの熱分解の気体副生物
   の除去のための上部出口を包含する反応容器； （ｂ）反応容器内に設置される周辺加熱帯域環を定める
   手段であつて、ここに該周辺加熱帯域環は流動化開始状
   態において側面的に閉じ込められたケイ素粒子を含有し
   、該加熱帯域環は流動床からのケイ素粒子の導入のため
   の上部入口及び加熱されたケイ素粒子を内部反応帯域中
   に導入するための下部出口を包含し、加熱帯域環の下部
   出口を通つて内部反応帯域に導入される加熱されたケイ
   素粒子によつて熱が内部反応帯域に供給されるものであ
   る前記手段； （ｃ）周辺加熱帯域環によつて囲まれる内部反応帯域を
   定める手段； （ｄ）加熱帯域環に熱を供給するための加熱手段であつ
   て、ここに加熱帯域環の粒子の温度はシラン含有ガスの
   熱分解温度とケイ素粒子の融点温度との間の範囲にわた
   るものである前記手段；を包含して成る、シラン含有ガ
   スの熱分解による多結晶ケイ素の製造に使用される改良
   された加熱流動床反応器。 １０、周辺加熱帯域環を定める手段が内部反応帯域後及
   び外部加熱帯域壁を包含する請求項９記載の改良された
   加熱流動床反応器。 １１、加熱手段が周辺加熱帯域環を部分的に定める外部
   加熱帯域壁に熱を供給する請求項１０記載の改良された
   加熱流動床反応器。 １２、周辺加熱帯域環を部分的に定める外部加熱帯域壁
   が石英ライナーを包含する請求項１０記載の改良された
   加熱流動床反応器。 １３、周辺加熱帯域環を部分的に定める内部反応帯域壁
   が内部反応帯域を定める請求項１０記載の改良された加
   熱流動床反応器。 １４、周辺加熱帯域環の下部出口が、加熱されたケイ素
   粒子を内部反応帯域に導入するための手段を包含する請
   求項１０記載の改良された加熱流動床反応器。 １５、周辺加熱帯域環の高さが、ほぼケイ素粒子の一つ
   の床の高さから内部流動床におけるケイ素粒子の約５床
   の高さまでの範囲にわたる請求項１０記載の改良された
   加熱流動床反応器。 １６、シラン含有ガスをシラン、ハロシラン、水素、及
   びそれらの混合物より成る群から選択する請求項１０記
   載の改良された加熱流動床反応器。 １７、加熱されたケイ素粒子を内部反応帯域に導入する
   ための手段が内部反応帯域に向けられたパルスガスジェ
   ットを包含する請求項１４記載の改良された加熱流動床
   反応器。 １８、内部反応帯域壁の直径が約１５ｃｍないし約１２
   ２ｃｍの範囲にわたる請求項１７記載の改良された加熱
   流動床反応器。 １９、周辺加熱帯域環を部分的に定める外部加熱帯域壁
   の直径が約１８ｃｍないし約１４２ｃｍの範囲にわたる
   請求項１７記載の改良された加熱流動床反応器。 ２０、（ａ）シラン含有ガスのための下部入口、ケイ素
   生成物粒子の取り出しのための下部出口、ならびに未反
   応シラン含有ガス及びシラン含有ガスの熱分解の気体副
   生物を除去するための上部出口を包含する円筒状反応容
   器； （ｂ）直径約３０ｃｍを有し、円筒状反応容器内に同心
   的に配置され、内部反応帯域を囲む内部反応帯域壁； （ｃ）約４１ｃｍの直径を有し、内部反応帯域壁と外部
   加熱帯域壁との間に周辺加熱帯域環を形成する外部加熱
   帯域壁であつて、ここに該加熱帯域環は流動化開始状態
   において側面的に閉じ込められたケイ素粒子を含有し、
   該加熱帯域環はケイ素粒子の導入のための上部入口、及
   び加熱されたケイ素粒子を内部反応帯域に導入するため
   の、パルスガスジェットを包含する、下部出口を包含し
   、加熱帯域環の下部出口から内部反応帯域に導入される
   加熱されたケイ素粒子は内部反応帯域に熱を供給するも
   のである前記外部加熱帯域壁；及び（ｄ）外部加熱帯域
   を通して加熱帯域環に熱を供給する加熱手段であつて、
   ここに加熱帯域環の粒子の温度は約５５０℃ないし約１
   ０００℃の範囲にわたるものである前記手段； を包含して成る、シラン含有ガスの熱分解による多結晶
   ケイ素の製造のための改良された加熱流動床反応器。 ２１、（ａ）反応容器内の内部反応帯域を囲む周辺加熱
   帯域環に熱を供給し、ここに周辺加熱帯域環は流動床か
   ら粒子を導入するための上部入口及び加熱された粒子を
   内部反応帯域中に導入するための下部出口を包含し、加
   熱帯域環に含有される粒子は流動化開始状態にあり、し
   かも内部反応帯域壁及び外部加熱帯域壁により側面的に
   閉じ込められており、外部加熱帯域壁に対して外部に配
   置された加熱手段により、外部加熱帯域壁を通して周辺
   加熱帯域環の粒子に熱が供給される工程、及び（ｂ）加
   熱された粒子を内部流動床反応帯域に導入する工程、 を包含して成る流動床反応帯域を加熱する方法。 ２２、周辺加熱帯域環の下部出口がパルスガスジェット
   を包含し、該パルスガスジェットは加熱帯域環の加熱さ
   れた粒子の内部反応帯域への導入を促進する役目をする
   請求項２１記載の方法。 ２３、内部反応帯域が、流動床における平均直径の粒子
   を基準にして最小流動速度の約２ないし約８倍の範囲に
   わたる流動ガス速度を包含する請求項２１記載の方法。 ２４、流動床の粒子がシラン含有ガスをケイ素に熱分解
   するのに有用なケイ素粒子である請求項２１記載の方法
   。 ２５、反応容器内に含まれる、加熱された内部流動床反
   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
   高純度結晶ケイ素を製造する方法において、 （ａ）加熱されたケイ素粒子を周辺加熱帯域環から内部
   反応帯域に導入することにより内部反応帯域に熱を供給
   し、ここに該加熱されたケイ素粒子は周辺加熱帯域環に
   おいて加熱され、該周辺加熱帯域環は、内部反応帯域を
   定める内部反応帯域壁と外部加熱帯域壁との間の環状空
   間を包含し、外部加熱帯域壁の外側に配置された加熱手
   段により、周辺加熱帯域環におけるケイ素粒子に熱を供
   給する、 ことを包含して成る前記方法の改良方法。 ２６、周辺加熱帯域環が、ケイ素粒子の導入のための上
   部入口と下部出口とを更に包含し、該下部出口が加熱さ
   れたケイ素粒子を内部反応帯域に導入するためのパルス
   ガスジェットを包含する請求項２５記載の方法。