KR101678661B1 - 유동층 반응기 - Google Patents

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월터 제이. 스투핀
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Abstract

고순도 실리콘 코팅 입자를 제조하기 위한 유동층 반응기가 개시된다. 용기는 외벽, 외벽 내부의 단열층, 단열층 내부에 배치된 적어도 하나의 히터, 히터 내부의 착탈식 동심 라이너, 중앙 유입 노즐, 복수개의 유동화 노즐, 적어도 하나의 냉각 가스 노즐, 및 적어도 하나의 생성물 배출구를 구비한다. 상기 시스템은 라이너 내부의 착탈식 동심 슬리브를 구비할 수 있다. 특정 시스템에서, 상기 중앙 유입 노즐은 반응기 표면 상에 실리콘 퇴적물을 최소화시키기 위하여 반응기 챔버 내 중심에 제1 가스 수직 가스기둥을 생성하도록 구성된다.

Description

유동층 반응기{Fluid bed reactor}
본 발명은 유동층에서 실리콘 함유 기체를 열분해시켜 실리콘으로 코팅된 입자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
유동층에서 실리콘 함유 기체를 열분해하는 방법은 우수한 물질 및 열 전달, 퇴적용 표면의 증가, 및 연속 생산이라는 측면에서 광전 산업 및 반도체 산업용 폴리실리콘을 생산하는 매력적인 공정에 해당한다. 지멘스-유형 반응기와 비교시, 유동층 반응기는 에너지를 적게 소비하면서도 상당히 높은 생산 속도를 제공한다. 유동층 반응기는 연속적으로 운전되고 높은 수준으로 자동화될 수 있으므로 인력에 소요되는 비용을 현저하게 감소시킬 수 있다.
유동층 반응기에서 공통적인 문제점은, 노즐 개구부 주변이나 주변 반응기 벽에서 실리콘 퇴적물이 형성되어 발생되는 노즐과 주변 반응기 벽의 파울링(fouling)이다. 실리콘 함유 기체는 또한, 온도가 충분히 높다면, 노즐 내에서 분해되어 실리콘을 퇴적시킬 수 있다. 다른 공통적인 문제점은, 상기 반응기를 만들기 위하여 사용된 물질로 인해 높은 운전 온도에서 상기 유동층이 오염된다는 것이다. 예를 들어, 니켈은 고-니켈 합금(high-nickel alloys)의 베이스 금속으로부터 실리콘층으로 확산하는 것으로 알려져 있다.
고순도의 실리콘 코팅 입자를 제조하는 유동층 반응기 시스템을 개시한다.
개시된 유동층 반응기 시스템의 구현예들은 종래 설계와 비교하여 노즐 개구부 및 반응기 벽의 파울링을 감소시킨다. 개시된 유동층 반응기 시스템의 구현예들은 또한, 유동층 내에서 입자들의 오염을 감소시키는 재료로 만들어진 착탈식 라이너(liner) 및 선택적 착탈식 슬리브(sleeve)를 구비한다.
일 시스템은 반응 챔버를 한정하는 용기를 구비한다. 상기 용기는 외벽, 상기 외벽의 내면에 인접한 단열층, 상기 단열층의 반지름 방향 안쪽에 상기 단열층을 따라 배치되며 상기 단열층 둘레로부터 동심원 형태로 이격된 복수개의 히터, 및 상기 복수개의 히터의 내부 쪽으로 배치된 일반적인 실린더 형태의 착탈식 라이너를 구비하며, 상기 라이너는 복수개의 씨드 입자 및/또는 실리콘-코팅 입자를 포함하는 챔버를 한정한다. 상기 시스템은 중앙 유입 노즐, 복수개의 유동화 노즐, 상기 복수개의 유동화 노즐보다 하부에 배치된 적어도 하나의 냉각 가스 노즐, 및 실리콘 생성물을 제거하기 위하여 상기 챔버 벽의 하부 표면을 관통하는 적어도 하나의 배출구(outlet)를 더 구비한다.
유리하게는, 상기 라이너는 고온 합금으로 제조된다. 일부 시스템에서, 상기 시스템은 또한, 동심원 형태로 상기 착탈식 라이너의 내면에 인접하게 위치하는 일반적인 실리더 형태의 착탈식 슬리브를 구비한다. 상기 슬리브는 예를 들면 석영, 실리콘, 저-니켈 합금, 고온 합금, 코발트 합금, 실리콘 질화물, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 또는 몰리브덴 합금을 포함하는 비오염성 재료로 제조할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 시스템에서, 상기 슬리브는 복수개의 접합부(joined sections)를 구비한다. 상기 단열층은 또한 복수개의 접합부를 구비할 수 있다.
일부 시스템에서, 라이너 팽창 장치가 상기 라이너의 상단 모서리에 부착되며, 상기 라이너 팽창 장치는 상기 라이너의 열팽창시 압축한다. 상기 라이너 팽창 장치는 주름 형태의 금속 또는 웨이브 스프링일 수 있다. 슬리브를 포함하는 일부 시스템에서, 슬리브 팽창 장치는 상기 슬리브의 상부 모서리에 부착되며, 상기 슬리브 팽창 장치는 슬리브 열팽창시 압축한다. 상기 슬리브 팽창장치는 웨이브 스프링일 수 있다.
일부 시스템에서, 전체적으로 실린더형으로 배열된 복사 히터(radiant heaters)들이 상기 단열층과 라이너 사이에 위치한다. 일부 시스템에서, 상기 복사 히터들은 대략 등간격으로 서로 이격되어 위치하므로 라이너를 실질적으로 균일하게 가열하게 된다. 일부 시스템에서, 상기 반응기의 구성요소들은, 운전 중에, 상기 외벽이 150℉(65℃) 미만의 외부 온도를 갖도록 구성되어 배치된다.
일부 시스템에서, 중앙 유입 노즐은 상기 반응기 챔버내로 제1 가스(primary gas)를 상방향으로 주입하도록 배치된 상단 개구부를 구비한다. 상기 노즐이 튜브 형태 내벽 및 내벽 둘레에 동심원 형태로 위치하는 튜브형태 외벽을 구비함에 따라, 제1 가스는 내벽에 의해 한정된 중앙 영역을 통해 흐르며, 제2 가스는 상기 내벽 및 외벽에 의해 한정된 원환 영역을 통해 흐른다. 유리하게는, 상기 원환 영역은 그 상단 개구부에서 상기 씨드 입자보다 작은 폭을 갖는다. 일부 시스템에서, 중앙 유입 노즐의 상단 개구부 지름이 X일 때, 원환 영역의 상단 개구부의 폭은 0.02X이다.
상기 제1 가스는 일반적으로 수소 및/또는 불활성가스와 조합하여 실리콘 함유 기체를 포함하며, 제2 가스는 실질적으로 상기 수소 및/또는 불활성가스와 동일한 조성을 갖는다. 일부 시스템에서, 상기 제1 가스는 실란 및 수소를 1:1 내지 9:1의 부피비로 포함한다. 일부 시스템에서, 제2 가스 흐름은 상기 반응기 챔버 내의 중앙부에서 제1 가스가 수직방향의 가스기둥(plume)을 형성하는 것을 촉진하며, 그 결과 상기 중앙 유입 노즐의 상단 개구부 및 챔버 벽에서 실리콘이 퇴적되는 것을 실질적으로 방지하게 된다.
일부 시스템에서, 복수개의 유동화 노즐은 중앙 유입 노즐을 둘러싸며, 중앙 유입 노즐로부터 횡방향으로 이격되어 있다. 일부 시스템에서, 상기 유동화 가스는 수소 및/또는 불활성가스와 실질적으로 동일한 조성을 갖는다. 일부 시스템에서, 중앙 유입 노즐을 단열하여 상기 제1 가스를 그 분해온도보다 낮은 온도로 유지한다.
상술한 내용이 더욱 잘 이해될 수 있도록 이하에서 더욱 상세하게 설명하며, 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a는 유동층 반응기의 정면을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 부분 확대도이다.
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 잘린 단면 개략도이며, 상기 반응기의 바닥 헤드를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시한 반응기의 단열층을 나타내는 정면 개략도이다.
도 4는 도 3의 단열층의 일부를 확대하여 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시한 반응기의 일부를 확대하여 개략적으로 나타낸 정면 단면도이며, 외벽, 단열층, 라이너 팽창 장치 구비 라이너, 및 슬리브를 나타낸다.
도 6은 도 7a의 6-6 선을 따라 잘린 개략적 단면 확대도이며, 도 1의 반응기의 가스 노즐을 나타낸다.
도 7a는 도 6에 도시한 노즐 상단부의 개략적 정면 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 7B-7B 선을 따라 잘린 단면 개략도이다.
도 8은 도 6에 도시한 노즐의 하단부의 개략적 정면 단면도이다.
도 9는 도 1의 9-9선을 따라 잘린 단면 개략도이며, 복수개의 복사 히터를 나타낸다.
실리콘 함유 기체를 열분해하고, 유동화된 실리콘 입자 또는 다른 씨드 입자(예를 들어, 실리카, 그래파이트 또는 석영 입자) 상에 실리콘을 퇴적시켜 폴리실리콘을 제조하기 위한 유동층 반응기 시스템을 기술한다. 또한 상기 유동층 반응기 시스템의 구동방법을 개시한다.
실리콘은 실란 (SiH4), 디실란 (Si2H6), 고차 실란 (SinH2n+2), 디클로로실란(SiH2Cl2), 트리클로로실란 (SiHCl3), 실리콘 테트라클로라이드 (SiCl4), 디브로모실란 (SiH2Br2), 트리브로모실란 (SiHBr3), 실리콘 테트라브로마이드 (SiBr4), 디요오도실란 (SiH2I2), 트리요오도실란 (SiHI3), 실리콘 테트라아이오다이드 (SiI4), 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 실리콘 함유 기체의 분해에 의하여 반응기 내 입자 상에 퇴적된다. 상기 실리콘 함유 기체는 하나 이상의 할로겐 함유 기체와 함께 혼합될 수 있으며, 할로겐 함유 기체는 염소 (Cl2), 염화수소 (HCl), 브롬 (Br2), 브롬화수소 (HBr), 요오드 (I2), 요오드화 수소 (HI), 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 임의의 것으로 정의된다. 상기 실리콘 함유 기체는 또한 수소 (H2), 또는 질소 (N2), 헬륨 (He), 아르곤 (Ar), 및 네온 (Ne)에서 선택된 하나 이상의 불활성기체를 포함하는 1종 이상의 다른 기체와 혼합될 수 있다. 특정 구현예에서, 상기 실리콘 함유 기체는 실란이며, 상기 실란은 수소와 혼합된다.
상기 실리콘 함유 기체는, 수소, 할로겐 함유 기체 및/또는 불활성기체 중 임의의 동반 기체와 함께 노즐을 통해 유동층 반응기에 주입된 후, 상기 반응기 내에서 열분해되어 상기 반응기 내부의 씨드 입자 상에 퇴적하는 실리콘을 생성한다.
실리콘 퇴적물이 노즐 개구부 주변 및 주변의 반응기 벽 상에 형성되므로 상기 노즐 및 주변의 반응기 벽에 파울링이 발생할 수 있다. 온도가 충분히 높다면 실리콘 함유 기체는 또한 노즐 내에서 분해되어 실리콘을 퇴적시킬 수 있다.
인용에 의해 본 명세서에 통합된 미국특허 제5,810,934호에 개시된 바와 같이, 벽 퇴적물의 함량을 줄이기 위하여 반응기 벽보다 높은 온도로 실리콘 씨드 및 다른 실리콘 유동층 입자를 가열하는 것이 유리하다. 이와 같은 방법 중 하나는, 뜨거운 실리콘 입자와 실란 유입 노즐의 경계 또는 그에 인접한 곳에 많은 열을 제공하는 것이다. 상기 입자는 주입되는 기체를 빠르게 가열시키나 스스로 냉각된다. 실리콘 함유 기체 농도가 가장 높고 대부분의 분해와 퇴적이 발생하는 노즐 개구부를 둘러싸는 영역에서 입자 온도를 높게 유지하기 위하여 가능한 한 유입 노즐에 근접하게 입자를 재가열하는 것이 바람직하다. 그러나, 유입 노즐 내의 벽 퇴적물을 최소화시킬 수 있도록 하기 위하여, 주입되는 실리콘 함유 기체가 뜨거운 입자와 접촉하기 전에 지나치게 과열되지 않도록 주의해야 한다.
I. 유동층 반응기
도 1a는 코팅입자를 제조하기 위한 유동층 반응기(10)의 개략도이다. 도 1b는 도 1a 중 일부의 부분확대도이다. 실리콘 코팅 입자는, 반응기 챔버(15) 내의 실리콘 함유 기체의 열분해 및 유동층 내의 입자에 대한 실리콘 퇴적을 통해 성장한다. 도시한 반응기(10)는 실란의 열분해를 통해 실리콘을 제조하는데 특히 적합하다. 초기에 작은 씨드 입자 상에 퇴적이 일어난다. 퇴적은 입자가 성장하여 상업용에 적절한 크기가 될 때까지 계속되며, 그 후 성장한 입자를 회수한다.
씨드 입자는 실리콘으로 코팅하기 적절한 임의의 바람직한 조성을 가질 수 있다. 적절한 조성은 용융이나 기화가 되지 않는 것이며, 반응기 챔버의 조건하에 분해되지 않거나 화학반응을 일으키지 않는 것이다. 적절한 씨드 입자 조성의 예로서는, 실리콘, 실리카, 그래파이트 및 석영을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 씨드 입자는 임의의 원하는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 씨드 입자는 구체(sphere), 신장형 입자(elongated particle) (예를 들어, 로드, 섬유), 플레이트, 프리즘, 또는 임의의 기타 원하는 형상일 수 있다. 씨드 입자는 불규칙한 형상을 가질 수도 있다. 일반적으로 씨드 입자는 0.1 내지 0.8mm, 0.2 내지 0.7mm, 또는 0.2 내지 0.4mm의 최장부 직경을 갖는다.
단독의 중앙 유입 노즐(20)은 중앙 통로(22)를 통해 제1 가스를 주입하고, 중앙 통로(22)를 둘러싸는 원환형 통로(24)를 통해 제2 가스를 주입하기 위하여 제공된다. 일부 시스템은 복수개의 유입 노즐(미도시)을 구비할 수 있다. 제1 가스는 실리콘 함유 기체이거나, 또는 실리콘 함유 기체, 수소 및/또는 불활성 가스(예를 들어 헬륨, 아르곤)의 혼합물이다. 제1 가스는 또한 할로겐 함유 기체를 포함할 수 있다. 제2 가스는 일반적으로 제1 가스 혼합물 내의 수소 및/또는 불활성 가스와 실질적으로 동일한 조성을 갖는다. 구체적 예를 들면, 제1 가스는 실란 및 수소의 혼합물이며, 제2 가스는 수소이다.
일부 시스템(미도시)에 있어서는, 제1 가스 노즐은 실란을 주입하기 위하여 제공된다. 복수개의 제2 가스 노즐이 제1 가스 노즐을 둘러싼다. 일반적으로, 제1 가스 노즐을 둘러싸고 그로부터 횡방향으로 이격된 배열로 6개의 제2 가스 노즐이 배열된다. 일부 시스템(미도시)에서, 반응기는 복수개의 실란 노즐, 예를 들어 3개의 실란 노즐을 구비하며, 각각의 실란 노즐은 6개의 제2 가스 노즐로 둘러 싸인다. 이러한 시스템에서는, 복수개의 실란 노즐은 일반적으로 상기 반응기 내의 중앙부를 둘러싸며 그로부터 횡방향으로 이격되는 배열 상태로 배열되며; 어떤 시스템에서는 실란 노즐 중 하나는 중앙부에 위치할 수 있다.
반응기(10)은 일반적으로 수직으로 연장하며, 중심축 A1을 가지고, 서로 다른 높이(elevation)에서 서로 다른 단면 치수를 가질 수 있다. 도 1에 도시한 반응기는 여러 높이에서 서로 다른 단면 치수를 갖는 5개 영역 I-V를 구비한다. 반응 챔버는 상이한 단면적 치수를 갖는 벽으로 한정될 수 있으며, 그에 따라 반응기를 통한 가스의 상향 흐름이 서로 다른 높이에서 서로 다른 속도를 갖게 할 수 있다.
반응기(10)는 복수개의 유동화 가스 노즐(40)을 더 구비한다. 부가적인 수소 및/또는 불활성 가스가 상기 유동화 노즐(40)을 통해 반응기 내부로 이송되어 충분한 기체 흐름을 제공함으로써 반응기 유동층 내의 입자를 유동화시킨다. 운전 중에 유동층은 영역 III-IV에서 유지된다. 상기 유동화 노즐(40)을 통과하는 유속을 조절함으로써, 실리콘 코팅 입자의 평균 입경이 변화거나 및/또는 유동화 조건이 변화는 때에도, 상기 층의 프로필을 유지할 수 있다. 상기 유동화 가스는 일반적으로 제1 가스 혼합물 내의 실리콘 비함유 기체와 실질적으로 동일한 조성을 갖는다.
생성물을 샘플링하는 샘플 노즐(50) 및 반응기 내 압력을 모니터링하기 위한 하나 이상의 압력 노즐(60)이 또한 제공되며, 이들 노즐은 중앙 유입 노즐(20)로부터 횡방향으로 이격되어 있다. 하나 이상의 퍼지 가스/냉각 가스 노즐(70, 72)는 유동화 노즐(40) 아래에 위치하며, 외벽(80)을 통해 반응기(10) 내로 반지름 방향으로 연장된다.
반응기(10)는 영역 IV에서 외벽(80)의 안쪽에 배치된 하나 이상의 히터(100)를 더 구비한다. 일부 시스템에서 히터(100)는 복사 히터이다. 반응기(10)은 또한 내부 유동층 히터(90)을 구비할 수 있다.
공정 초기 및 정상 구동 과정에서, 씨드 입자는 씨드 노즐(110)을 통해 반응기(10)로 도입된다. 평균직경이 약 1mm인 크기 분포를 갖는 실리콘 코팅 입자는 하나 이상의 생성물 배출구(120)를 통해 반응기(10)으로부터 제거되어 회수된다. 배출구(들)(120)은 실리콘 카바이드 또는 다른 비오염성 라이너/코팅물로 코팅된 표면으로 한정되어, 통과하는 실리콘 코팅 입자의 표면 오염을 방지한다.
단열층(130)은 외벽(80)의 내면을 따라 배치된다. 착탈식(removable) 동심(concentric) 라이너(140)는 반응기(10)의 영역 II-V를 통해 수직으로 연장된다. 예시된 라이너는 전체적으로 실린더 형태이며, 대체적으로 원형인 단면적을 갖는다. 착탈식 슬리브(150)은 라이너(140)의 안쪽 표면에 근접하게 배치된다. 확장 조인트 시스템은 라이너(140)의 상단면으로부터 상부로 연장되는 라이너 팽창 장치(160)를 구비한다. 라이너 팽창 장치(160)는 반응기(10)의 구동 과정에서 상기 라이너(140)의 열팽창이 가능하도록 압축할 수 있다. 제2 확장 조인트 시스템은 슬리브(150)의 상단면으로부터 상방으로 연장되는 슬리브 팽창 장치(165)를 구비한다. 슬리브 팽창 장치(165)는 반응기(10)의 구동 과정에서 슬리브(150)의 열팽창이 가능하도록 압축할 수 있다.
예시된 라이너(140) 및 슬리브(150)는 일반적으로 실린더 형태이며, 통상 원형의 수평 단면적을 가지고, 일반적으로 영역 II-V를 통해 수직으로 연장되며, 반응 영역을 한정한다. 반응기(10)는 씨드 노즐(110)을 통해 씨드 입자로 충진된다. 씨드 입자의 양은 반응기 치수에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어, 6-9미터의 높이 및 40-50cm의 반응영역 직경을 갖는 반응기는 800-1000kg의 실리콘 씨드 입자로 충진될 수 있다.
바람직하게는, 실리콘 카바이드 코팅 또는 최종 결과물을 오염시키지 않는 다른 물질의 코팅은 실리콘 코팅 입자와 접촉하는 모든 표면 상에 제공되어 표면 오염을 방지할 수 있다.
단열층(130)은 외벽(80)을 복사 히터(100)로부터 단열한다. 단열층(130)은 열전달을 개선하기 위하여 라이너(140)에 열을 반사시켜 돌려줄 수 있다. 일부 시스템에서, 단열층(130)은 외벽(80)의 외부 온도를 95℃(200℉) 미만, 및 바람직하게는 65℃(150℉) 미만으로 유지하며, 그 결과 "차가운 벽" 반응기를 제공하게 된다.
도 2는 일 시스템의 바닥 헤드(bottom head)(170)을 나타내는 개략 단면도이다. 도시한 시스템에서, 3개의 유동화 노즐(40a-c)이 중앙 유입 노즐(20)을 둘러싸며 이로부터 횡방향으로 이격되어 있다. 2개의 생성물 회수 배출구(120a-120b), 샘플 노즐(50), 압력 노즐(60), 및 써모웰(thermowell)(62)은 또한 중앙 유입 노즐(20)로부터 횡방향으로 이격되어 중앙 유입 노즐(20)을 둘러싸고 있다.
다른 시스템이 하나 이상의 제 1 가스 노즐을 구비할 수 있고, 각각의 제1 가스 노즐은 복수개의 제2 가스 노즐로 둘러 싸일 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 예를 들어, 3개의 제1 가스 노즐이 존재할 수 있으며, 각각은 6개의 제2 가스 노즐로 둘러 싸일 수 있다. 부가적인 유동화 노즐 또한 구비될 수 있다. 더욱이, 단지 하나의 회수 배출구가 존재할 수 있으며, 또는 두개 이상의 회수 배출구가 존재할 수 있다.
II. 단열
특정 시스템에서, 반응기는 고효율, 고온 단열재로 단열된다. 적절한 단열재로서는 고온 담요, 미리 형성된 블록(preformed block), 재킷형 단열재, 내화 벽돌, 또는 다른 적절한 단열재를 포함할 수 있다.
도 3 및 4는 단열층(130)의 바람직한 구조를 도시한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 단열층(130)은 3개의 단열재 고리(133, 135, 137)로 구성된다. 각 고리는 이 고리를 형성하기 위하여 함께 맞춰지는 6개의 실질적으로 동일한 조각 또는 분획(132, 134, 136)으로 구성된다. 예시된 조각은 단열 튜브의 60˚ 분획이다. 상기 분획은 일반적으로 수직 길이로 2 내지 3피트 범위이다. 상세하게 도시한 바와 같이, 상기 분획의 수직 모서리는 계단 형태로 되어 있어서 단열층(130)을 구성하기 위하여 조립된 스텝 조인트(138)에서 함께 결합된다. 세라믹 섬유는 상기 분획 사이에 위치하여 조인트를 밀봉하게 된다. 도 4는 단열층(130)의 일부를 나타내는 투시도이며, 분획 (134a, 134b) 사이의 스텝 조인트(138a)를 도시한다.
일부 시스템에서, 단열재(130) 및 라이너(140) 사이의 원환 공간은 질소로 퍼지되어 반응성 가스가 상기 원환 공간에 들어가지 못하게 할 수 있다. 수소가 반응기에서 사용되는 경우, 질소 퍼지는 또한 열전도도가 높은 수소를 단열재의 간극으로부터 배출시켜 단열 효과를 개선할 수 있게 된다.
III. 라이너 및 슬리브
A. 라이너
도 1을 참조하면, 착탈식 동심 라이너(140)는 반응기(10)의 분획 II-V를 통해 수직으로 연장된다. 예시된 라이너는 일반적인 원형 단면을 갖는 통상의 실린더 형태이다. 상기 라이너는 반응기(10) 내의 조건을 견디고 고온에 적합한 적절한 소재로 만들어질 수 있다. 고온조건은 열을 유동층으로 전달하는데 사용된다. 라이너는, 실리콘 생성물 입자를 오염시키지 않으며, 유동층 가열 및 생성물 냉각과 관련된 온도 구배를 견디는데 적합한 소재로 만들어진다. 적절한 소재는 INCOLOY
Figure 112012047497334-pct00001
합금, INCONEL
Figure 112012047497334-pct00002
합금, 및 코발트 합금 (예를 들어 RENE
Figure 112012047497334-pct00003
41) 과 같은 고온용 금속 합금을 포함하지만 이들에 한정되는 것은 아니다. 상기 라이너는 반응기 용기와는 다른 소재로 구성될 수 있다. 라이너의 내부 및 외부 압력이 유사하므로, 라이너는 얇은 두께를 가질 수 있다. 일부 시스템에서, 상기 라이너는 5-10mm, 예를 들어 6-8mm의 두께를 갖는다.
착탈식 슬리브(150)가 사용된다면, 슬리브(150)가 라이너(140)와 반응기 챔버(15) 사이에 위치하게 됨에 따라 반응기 내의 오염에 큰 문제가 되지 않으므로, 상기 라이너(140)는 보다 작은 기술적 민감성을 갖는 소재를 포함하여 더욱 다양한 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 상기 라이너는 INCONEL
Figure 112016030337007-pct00004
625 (소량의 니오븀, 탄탈륨 및 철을 함유하는 니켈-크롬-몰리브덴 합금)로 제조될 수 있다. 일 구현예에서, INCONEL
Figure 112016030337007-pct00005
625 라이너는 6mm의 두께를 갖는다.
도 1에 도시한 시스템에서, 라이너(140)는 그 길이 방향으로 실질적으로 일정한 내경을 갖는다. 그러나, 일부 구현예(미도시)에서, 반응기(10)의 영역 V는 영역 IV보다 더 큰 직경을 갖는다. 그러한 경우, 마찬가지로, 영역 V 내의 라이너 부분은 영역 II-IV를 통해 연장된 라이너 부분보다 더 큰 직경을 갖는다. 라이너(140)는 유동층을 격납하며, 반응기의 외벽(80), 복사 히터(100), 및 단열층(130)을 유동층과 분리시킨다.
B. 슬리브
일부 시스템에서, 착탈식 슬리브(150)는 라이너(140)의 내면에 인접하여 제공된다. 슬리브(150)는 유동층의 씨드 입자 및 실리콘 코팅 입자에 의한 마찰로부터 라이너(140)를 보호하며, 라이너 및/또는 용기 벽 물질에 의한 오염으로부터 상기 입자들을 보호한다. 슬리브(150)는 상기 입자를 오염시키지 않는 소재로 구성된다. 슬리브(150)에 적절한 물질은 석영, 실리콘, 저-니켈 합금, 고온 합금, 코발트 합금, 실리콘 니트라이드, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 또는 몰리브덴 합금을 포함하나 이에 한정되지 않는 비-오염성 물질을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 시스템에서, 상기 슬리브는 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 또는 몰리브덴 합금으로 구성된다. 특정 시스템에서, 상기 슬리브(150)는 그 내부 표면 상에 코팅을 포함한다. 상기 코팅에 적합한 재료는 석영, 실리콘, 실리콘 카바이드, 몰리브덴, 저-니켈 합금, 코발트, 텅스텐, 실리콘 질화물, 및 그래파이트를 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
일부 변형예에서, 슬리브(150)는 통상 단열층(130)과 유사하게 복수의 분획으로 구성되며; 상기 분획은 스텝 조인트와 접합되고, 상기 조인트는 세라믹 섬유, 시멘트, 또는 고온 폴리머 밀봉재로 밀봉된다. 다른 변형예에서, 상기 슬리브는 단일체(monolith)로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 상기 슬리브는 1600℉(870℃)온도를 견디면서 안정성을 유지한다.
몰리브덴은 높은 내부식성, 낮은 열팽창률, 고온에서 우수한 강도 및 단단함, 우수한 열전도성, 및 연성을 포함하는 예외적인 성질을 갖는다. 순수한 몰리브덴의 일반적인 성질을 하기 표 1에 나타낸다.
몰리브덴 특성
밀도 (20℃) 10.28 g/cm3
융점 2620
비열 (20℃) 0.254 J/gㅇK
열전도도 140 W/mㅇK
재결정 온도 1100℃
열팽창계수 4.9 x 10-6/℃
탄성률 46 x 106 psi
그러나 몰리브덴은 750℉(400℃) 이상의 온도에서 심각한 산화를 겪게 된다. 따라서, 고온에서 산소에 대한 노출은 최소화된다. 특정 시스템에서, 상기 슬리브는 99.2 내지 99.5 wt% 몰리브덴, 0.5% 티타늄, 및 0.08% 지르코늄의 조성을 갖는 TZM 몰리브덴 합금으로 제조된다.
다른 적절한 재료는 실리콘 카바이드(SiC)이다. 실리콘 카바이드는 또한 2.2-2.4 x 10-6/℉, 또는 3.9-4.0 x 10-6/℃의 낮은 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 실리콘 카바이드 슬리브는 반응기가 가열됨에 따라 수직으로 6mm 내지 13mm 정도 팽창할 수 있다. 그러나 실리콘 카바이드는 몰리브덴 및 그 합금보다 덜 단단하며, 보다 파손되기 쉽다.
슬리브(150)는 단열층(130)에 유사하게 복수의 분획으로 구성될 수 있다. 상기 분획은 스텝 조인트와 접합된다. 접합은, 리베팅 및 용접을 포함하는 적절한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 상기 분획을 대략 2cm 간격의 몰리브덴 리벳으로 리벳처리할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 이음매(seam)는 내누설성을 개선하기 위하여 후속 공정에서 몰리브덴으로 분무처리된다. 용접이 일반적으로 약한 결합을 제공하므로 리베팅이 용접보다 바람직하다.
용접이 사용된다면, 진공 환경 또는 아르곤 분위기에서 수행되어 산화를 방지하고 원하는 몰리브덴 성질을 유지하게 된다. 용접시 연성을 유지하기 위하여, 공기와 접촉이 발생하지 않아야 한다. 용접을 하기 전에, 모든 부품을 꼼꼼히 세척하고 예열한다.
일부 구현예에서, 상기 슬리브(150)는 함께 적층된 몰리브덴 또는 TZM 몰리브덴 합금 플레이트(예를 들어 0.6mm 내지 3mm 두께의 플레이트)의 다중층으로 제조된다. 예를 들어 2 내지 5개 층이 함께 적층될 수 있다. 특정 변형예에서 4개 층을 적층하여 3.2 내지 6.4mm의 두께를 갖는 슬리브를 제조한다. 다중층으로 제조되는 경우, 인접한 층의 플레이트 사이의 조인트가 중첩하지 않도록 상기 층들은 오프셋 처리된다.
IV. 외벽에서 슬리브까지 구조
도 5는 외벽(80)에서 슬리브(150)까지의 반응기 구조와 관련된 일 시스템을 나타내는 개략적인 다이아그램이다. 단열층(130)은 외벽(80)에 인접하게 배치되며, 단열 지지 고리(210) 및 하부 씰 고리(220) 사이에 배치되도록 유지된다. 라이너(140)는 단열층(130) 안쪽에 위치하며, 하부 씰 고리(220)로 지지된다. 플랜지(225)는 라이너(140) 및 씰 고리(220) 사이에 제공된다. 일부 구현예에서, 플랜지(225)는 가스켓형 씰이다. 슬리브(150)는 라이너(140) 안쪽에 위치한다. 라이너(140) 및 슬리브(150) 사이에 좁은, 예를 들어 1.5mm의 고리형 갭이 존재하여, 수평 열팽창을 가능하게 한다. 복사 히터(미도시)는 단열층(130) 및 라이너(140) 사이에 위치하며, 도 1에 도시한 바와 같이 반응기(10)의 영역 IV에 존재한다.
상부 가이드(190)는 라이너(140)의 상부 모서리에 결합된다. 확장 조인트 시스템은 상부 가이드(190) 및 확장 지지체(200) 사이에 연장되는 라이너 팽창 장치(160)을 구비하며, 확장 지지체(200)는 상부 씰 고리(230)에 단단히 결합된다. 확장 조인트 시스템은 반응기의 외벽(80) 및 라이너(140)의 차동 팽창을 수용한다. 팽창 지지체(200)로부터 하방향으로 연장되어 있는 L-형 하부 가이드(205)이다. 설치 가이드(240)은 팽창 지지체(200) 및 L-형 하부 가이드(205)의 적절한 위치 선정을 용이하게 한다. 라이너 팽창 장치(160)는 라이너(140)의 내부 직경과 유사한 내경을 갖는 스프링-타입 장치이다. 라이너 팽창 장치(160)는 라이너(140)에 하방 압력을 가하며, 플랜지(225)를 압축한다. 라이너 팽창 장치(160)는 유동층 반응기 내의 온도 및 압력 조건을 견디기에 적절한 소재로 만들어진다. 예를 들어, INCONEL
Figure 112016030337007-pct00006
718 (니켈-크롬 합금)을 포함하는 고온, 고강도 금속 합금이 적절할 수 있다. 일부 구현예에서, 라이너 팽창 장치(160)는 주름진 금속 합금의 팽창 조인트이다. 특정 시스템에서, 라이너는 실리콘 카바이드이며, 라이너 팽창 장치(160)는 웨이브 스프링, 즉 와이어 내에 웨이브를 갖는 코일 형태의 편평한 와이어이다. 코일 스프링과 비교하여, 웨이브 스프링은 현저하게 더 낮은 작업 높이(work height)에서도 동일한 힘을 제공한다.
상기 반응기 내에서 온도가 증가함에 따라, 라이너(140)는 팽창하고 라이너 팽창 장치(160)는 상방향으로 밀려 압축된다. 예를 들어, 반응기가 6 내지 9미터의 높이를 가지고 라이너(140)가 INCOLOY
Figure 112016030337007-pct00007
합금을 포함한다면, 상기 라이너는 가열시 수직방향으로 7.5 내지 10cm 팽창한다. 냉각시, 상기 라이너(140)는 수축하고, 라이너 팽창 장치(160)는 연장된다. 상부 가이드(190)과 협력하여 하부 가이드(205)는 라이너 팽창 장치(160)의 연장을 제한한다. 라이너 팽창 장치(160)은 또한 라이너(140)에 압력을 가하여 하부 씰 고리(220)에 단단히 밀봉시킨다.
유사한 확장 조인트 시스템은 슬리브(150)로부터 상방향으로 연장된 슬리브 팽창 장치(165)를 구비하여 슬리브(150) 및 외벽(80)의 차동 팽창을 수용하고 슬리브의 수직 팽창을 허용한다. 슬리브 팽창 장치(165)는 슬리브(150)에 하방향 압력을 가한다. 슬리브 팽창 장치(165)는 유동층 반응기 내의 온도 및 압력 조건을 견디기에 적절한 소재로 만들어진다. 예를 들어, 고온, 고강도 금속 합금이 적절할 수 있다. 일부 구현예에서, 슬리브 팽창 장치(165)는 웨이브 스프링이다. 슬리브(150)는 적절한 수단으로 지지되고 밀봉되어 가스가 유동층으로부터 슬리브(150) 및 라이너(140) 사이의 원환공간 내로 흐르지 않도록 한다. 일부 구현예(미도시)에서, 장치는 슬리브의 상부 표면으로부터 상방으로 연장되고, 라이너의 상부 모서리 근처에 단단히 결합된다. 그러한 시스템에서, 슬리브는 그 하부 모서리에서 외벽(80)에 플랜지형 및 가스켓형 연결로 지지될 수 있다.
퍼지 가스 노즐(250)은 단열 지지 고리(210) 위의 외벽(80)을 통해 연장된다. 가스 배플(260)은 노즐(250) 및 하부 가이드(205) 사이에 위치한다. 외벽(80) 및 라이너(140) 사이의 원환 공간은 일반적으로 불활성 가스, 예를 들어 질소로 충진된다.
V. 중앙 유입 노즐
반응기(10)에 대한 실란 도입 위치는 실란이 분해되는 반응 영역을 제어한다. 바람직하게는, 노즐(20)은, 실란이 반응기(10)의 수직 중앙선 A1 근처에서 그리고 실란 가스기둥(180) 형상을 제어하기에 충분하도록 슬리브(150)로부터 떨어진 거리에서 주입되도록 배치된다. 바람직하게는, 노즐(20)의 상단 개구부는 실란 가스기둥 및 층 혼합 제어를 위해 기하학적으로 반응기의 중심에 정렬된다. 특정 시스템에서, 노즐(20)은 반응기의 수직 중앙선이 노즐의 스로트(throat)를 통해 연장되도록 배치된다. 바람직하게는, 도 1에 도시한 바와 같이, 실란은 바닥 헤드(170) 위의 약 1미터 높이에서 주입된다. 노즐(20)은 영역 I-III을 통해 상방으로 연장하며, 그에 따라 실란은 영역 IV에 주입된다. 노즐(20)은, 실란 도입 지점 아래 및 주변에서 도입된 수소가 코어 근처의 영역에서 수직 실란 가스기둥(180)을 포함하고 노즐에 형성된 파울링(즉, 실리콘 퇴적물 형성)을 실질적으로 제거하도록 배치된다. 실란 가스기둥(180)의 높이는 실란 가스의 유속을 포함하여 다양한 요소에 따라 달라지며, 영역 IV 높이의 약 1/4이 될 수 있다. 예를 들어 영역 IV가 240cm의 높이라면, 실란 가스기둥은 60cm의 높이를 가질 수 있다.
구동 과정에서, 씨드 입자의 층(bed)은 반응기 내부에 제공되어 단독의 중앙 유입 노즐(20) 및 보조 유동화 노즐(40)을 통해 주입된 가스에 의해 유동화된다. 반응기 챔버의 내용물은 선택적 내부 유동층 히터(90) 및 복사 히터(100)에 의해 가열된다.
반응기(10) 내의 온도는 반응기의 다양한 지점에서 상이하다. 예를 들어, 실리콘을 방출하는 실리콘 함유 화합물로서 실란을 사용하여 운전하는 경우, 영역 I, 즉 바닥 영역의 온도는 50 내지 100℃이다. 영역 II, 즉 냉각 영역에서, 온도는 통상 50 내지 700℃이다. 영역 III, 중간 영역에서, 온도는 영역 IV와 실질적으로 동일하다. 영역 IV의 중앙부, 즉 반응 및 스플래쉬(splash) 영역은 620 내지 760℃, 바람직하게는 660 내지 670℃에서 유지되며, 영역 IV의 벽, 즉 복사 영역 근처에서 700 내지 900℃로 온도가 증가한다. 영역 V의 상부, 즉 켄칭(quenching) 영역은 400 내지 450℃의 온도를 갖는다.
상기 반응기의 하부는 보다 낮은 온도에서 유지되어 중앙 유입 노즐(20) 내에서 실리콘 함유 기체가 때 이르게 분해되는 것을 방지한다. 때 이른 분해는 노즐(20)의 파울링 및 플러깅(plugging)을 유발한다. 따라서, 상기 노즐 내의 실리콘 함유 기체의 온도는 분해 및 실리콘 퇴적 온도 아래에서 유지된다. 예를 들어, 실리콘 함유 기체가 실란인 경우, 상기 노즐 내의 온도는 150℃ 아래로 유지된다. 영역 IV 내에서의 더 높은 온도는 실리콘 함유 기체의 열분해 및 이어지는 씨드 입자 상의 실리콘 퇴적을 가능하게 한다.
일부 변형예에서, 중앙 유입 노즐(20)은 도 6 및 7에 도시한 바와 같이, 실질적으로 원형 단면을 가지며 실질적으로 실린더형인 튜브를 2개 구비한다. 제1 가스(30)의 흐름은 노즐(20)의 중앙 영역 또는 통로(22)를 통과한다. 제1 가스는 일반적으로 수소 또는 불활성 기체로 희석된 실리콘 함유 기체를 포함한다. 일부 변형예에서, 제1 가스는 수소로 희석된 실란이다. 상기 실란 및 수소는 통상 1:1 내지 9:1의 부피비 범위의 실란:수소 비율로 존재한다. 제2 가스(32)는 통로 영역(22)의 배출구 주변을 따라 동심원을 형성하도록 내벽(26) 및 외벽(28)에 한정된 원환공간 통로(24)를 통하여 주입된다. 제2 가스는 일반적으로 실리콘 함유 기체와 혼합되는 가스와 동일한 조성을 갖는다. 예를 들어, 제1 가스가 실란 및 수소를 포함하면, 제2 가스는 통상 수소이다.
바람직한 변형예에서, 내벽(26)의 내면 중 최상단부는 외부로 15˚의 각도를 가지며, 그에 따라 스로트(throat)는 30˚의 끼인각(included angle) 또는 조합각(combined angle)(α)으로 개구부 쪽으로 벌어지며, 개구부에서 1.3cm의 직경을 갖는다. 도 7b는 외벽(28)으로부터 내벽(26)을 이격시키는 플랜지(27a-c)를 도시한다.
원환통로(24)는 반응 챔버 내로 개방되는 위치에서는 매우 좁다. 파울링을 방지하는데 있어서 유동층 내 가장 작은 입자보다 더 작은 원환 통로 출구 갭에서 가장 좋은 결과가 얻어진다. 일부 변형예에서, 중앙 통로(22)가 직경 X인 경우, 원환 통로(24)의 반지름 방향 폭은 0.015X 내지 0.025X이고, 구체적인 예를 들면 0.02X이다. 예를 들어, 중앙 통로(22)가 상부 모서리에서 1.3cm의 직경을 갖는 경우, 원환 통로(24)의 반지름 방향 폭은 상부 모서리에서 0.026cm가 될 수 있다. 원환 통로(24)를 통한 가스 흐름(32)은 노즐(20)의 팁 주변의 실리콘 퇴적물을 실질적으로 제거한다.
상기 노즐(20)은 예상 압력, 온도 및 응력(stress)의 요구범위 내에서 수용가능한 임의의 재료를 사용해서 제조된다. 적절한 재료로서는 INCOLOY
Figure 112012047497334-pct00008
및 HASTALLOY
Figure 112012047497334-pct00009
합금과 같은 고온 금속 합금을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다. 내벽(26) 및 외벽(28)의 표면은 생성물의 품질을 위해 실리콘 카바이드로 코팅될 수 있다.
도 8은 노즐(20)의 하부를 도시한다. 제1 가스(30)은 바닥 유입구(미도시)를 통해 중앙 통로(22)로 흘러간다. 제2 가스(32)는 외벽(28)의 유입구(34)를 거쳐 원환통로(24)에 흘러 들어간다.
VI. 히터
도 9는 라이너(140) 및 단열재(130) 사이의 챔버(15) 주변에 동심원 상으로 배치된 히터(100)들의 원형 배열을 나타낸다. 일부 시스템에서, 20개의 복사 히터들(100)이 사용되었고, 이들은 서로 등간격으로 배치되어 있다. 상기 히터의 등급은 적어도 부분적으로는 반응기 크기를 기초로 하여 선택된다. 일부 시스템에서 상기 히터는 각 2500W의 등급을 갖는다. 도 1 및 9에서 설명한 시스템과 관련하여, 히터(100)는 단열재(130)의 안쪽으로 이격되어 위치한다. 예를 들어, 6-9미터의 높이를 갖는 반응기에서, 히터(100)는 2 내지 3미터 길이이며, 단열재의 안쪽으로 2 내지 3cm 이격되어 위치할 수 있다. 단열재(130) 및 라이너(140) 사이의 갭은 질소 분위기를 함유하여 원환 공간을 불활성으로 유지한다.
반응기(10)에는 온도 구배가 존재하며, 히터 근처에서 가장 온도가 높고; 히터로부터 멀어질수록 온도는 감소한다. 예를 들어 실리콘 함유 기체로서 실란을 사용하여 반응기(10)을 구동하는 과정에서, 영역 IV의 중앙 영역은 620 내지 760℃, 바람직하게는 660 내지 670℃에서 유지된다. 히터(100)에 보다 가까운 슬리브(150) 근처의 온도는 700 내지 900℃이다. 일부 시스템에서, 복사 히터(100)의 표면 온도는 800 내지 850℃이다. 히터(100)는 온도 제어하에 존재하며, 일부 시스템에서는 온도 조절기의 설정값은 원하는 온도로 수동 조절된다.
반응기(10)은 하나 이상의 대류 히터(90)을 구비할 수 있다. 이들 히터는 도 1에 도시된 바와 같이 영역 IV 내의 유동층으로 연장된다.
VII. 유동화
도 1을 참조하면, 복수개의 높은 유동화 노즐(40)은 중앙 유입 노즐(20) 둘레로 동심원 형태로 위치하는 원형 배열의 형태로 배치된다. 대기 온도의 냉각 가스는 냉각 가스 노즐(70, 72)를 통해 챔버(15) 내로 도입된다. 냉각 가스 노즐(70, 72)은 바닥 헤드(170)보다 상부 및 슬리브(150)와 라이너(140) 배열보다 하부에 있는 영역 II에 위치한다. 냉각 가스 및 유동화 가스는 통상 노즐(20)에서 실리콘 함유 기체와 혼합되는 수소 및/또는 불활성 가스와 실질적으로 동일한 조성을 갖는다. 유동화 노즐(40) 아래에 냉각 가스를 도입하는 것은 냉각 가스와 생성물 고체 사이의 향류를 제공하므로, 배출구(120)을 통한 회수 이전의 생성물 고형분의 냉각 및 반응기(10)의 영역 IV로 흐르기 전에 냉각 가스의 예열을 일으키게 된다. 냉각 영역에서 유동화를 억제할 수 있도록 반응기 직경, 냉각 가스 유속, 및/또는 냉각 영역 높이가 선택된다. 냉각 영역에서의 유동화는 혼합을 제공하고, 허용할 수 없는 온도로 냉각 영역을 가열하게 된다. 예를 들어, 냉각 영역(영역 II)이 45cm의 내경을 갖는 경우, 상기 냉각 가스는 230 내지 310 slm (standard liters per minute)의 유속을 가질 수 있다. 상기 냉각 가스의 향류흐름은 추가 반응 및 실리콘 퇴적을 위해 미세 입자를 유동화 영역으로 돌아가게 한다.
본 발명에 관련될 수 있는 주제 또는 배경 정보를 기술하는 추가적인 특허 문헌은 1992년 8월 18일 등록된 미국 특허 5,139,762호, 1998년 8월 25일 등록된 미국 특허 5,798,137호, 1998년 9월 22일 등록된 미국특허 5,810,934호, 2008년 1월 18일자로 출원된 미국출원번호 11/996,285호를 포함한다.
상술한 시스템은 단지 예시에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아님을 인식해야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의하여 정해진다. 따라서 이들 청구항들의 범위 및 개념에 포함되는 모두를 본 발명으로 청구한다.

Claims (36)

  1. 복수개의 씨드 입자;
    외벽을 구비한 용기;
    상기 외벽의 내면에 접하는 단열층;
    상기 단열층의 안쪽에 배치된 적어도 하나의 히터;
    상기 적어도 하나의 히터의 안쪽에 배치된 착탈식 동심 라이너로서, 상기 라이너는 상기 씨드 입자를 포함하는 챔버를 한정하는 내면을 갖는 라이너;
    상기 챔버 내로 상방향으로 연장되고, 실리콘 함유 기체를 포함하는 제1 가스를 상기 챔버의 유동화 영역 내로 상방향으로 주입하도록 배치된 상단 개구부를 구비한 중앙 유입 노즐로서, 상기 중앙 유입 노즐은 내벽 및 상기 내벽 둘레에 동심원 형태로 배치된 외벽을 구비하여 상기 내벽에 의해 한정된 중앙 통로를 통해 제1 가스가 흐르게 하고 상기 내벽 및 상기 외벽 사이의 원환 통로를 통해 제2 가스가 흐르게 하는 중앙 유입 노즐;
    상기 중앙 유입 노즐 둘레에 배열된 복수개의 높은(elevated) 유동화 노즐로서, 각 유동화 노즐은 상기 중앙 유입 노즐의 상단 개구부 아래의 높이(elevation)에서 상기 챔버 내로 개방되는 배출 개구부를 구비하여 유동화 가스를 상기 챔버 내로 상방향으로 주입하는 유동화 노즐;
    상기 챔버 내로 반지름 방향으로 안쪽으로 연장되고, 상기 복수개의 유동화 노즐의 배출 개구부보다 하부의 챔버 내로 개방되는 적어도 하나의 냉각 가스 노즐; 및
    상기 용기로부터 실리콘 코팅 생성물 입자를 제거하기 위한 적어도 하나의 배출구;를 구비하는 가열 실리콘 퇴적 반응기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 가스 공급원 및 제2 가스 공급원을 더 구비하며,
    상기 제1 가스 공급원이 상기 중앙 유입 노즐의 중앙 통로에 연결되고,
    상기 제2 가스 공급원이 상기 중앙 유입 노즐의 원환 통로에 연결되는 것인 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 라이너가 고온 금속 합금을 포함하는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 라이너의 내면에 인접하게 배치된 착탈식 동심 슬리브를 더 구비하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 슬리브가 석영, 실리콘, 저-니켈 합금, 실리콘 질화물, 그래파이트, 실리콘 카바이드 또는 몰리브덴을 포함하는 것인 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 슬리브가 그 내면 상에 코팅을 포함하며, 상기 코팅이 석영, 실리콘, 저-니켈 합금, 실리콘 질화물, 그래파이트, 실리콘 카바이드, 또는 몰리브덴을 포함하는 것인 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 슬리브가 복수개의 접합부를 구비하는 것인 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접합부 사이의 조인트가 800℃까지의 운전 온도를 견딜 수 있는 밀봉재로 밀봉된 스텝 조인트인 것인 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 밀봉재가 세라믹 섬유, 시멘트, 고온 폴리머 밀봉재, 또는 이들의 조합인 것인 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 슬리브가, 상기 착탈식 동심 슬리브의 상부 모서리에 연결된 슬리브 팽창 장치를 더 구비하며, 상기 슬리브 팽창 장치가 상기 슬리브의 열팽창시 압축하는 것인 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬리브 팽창 장치가 웨이브 스프링인 것인 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 착탈식 동심 라이너가, 상기 착탈식 동심 라이너의 상부 모서리에 부착된 라이너 팽창 장치를 더 구비하며, 상기 라이너 팽창 장치가 상기 라이너의 열팽창시 압축하는 것인 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 라이너 팽창 장치가 주름진 금속 또는 웨이브 스프링인 것인 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 원환통로가 그 상단 개구부에서 상기 씨드 입자보다 더 작은 폭을 갖는 것인 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중앙 유입 노즐의 중앙 통로가 그 상단 개구부에서 X의 직경을 갖고, 상기 원환 통로가 그 상단 개구부에서 0.015X 내지 0.025X의 폭을 갖는 것인 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 유동화 노즐이 상기 중앙 유입 노즐을 둘러 싸며 그로부터 횡방향으로 이격되어 배치되고, 각 유동화 노즐이 상기 챔버 내로 상방향으로 유동화 가스를 주입하도록 배치된 개구부를 구비하는 것인 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가스가 실란 및 수소를 포함하며, 상기 실란 및 수소가 1:1 내지 9:1 부피비의 실란:수소 비율로 존재하는 것인 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 유입 노즐 내 상기 제1 가스가, 상기 실리콘 함유 기체가 분해하지 않는 온도를 갖는 것인 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 상기 제2 가스의 흐름이, 상기 챔버 내 중앙에 위치한 수직 가스기둥 내로 상기 제1 가스의 흐름이 향하도록 배치되고 또한 상기 수직 가스기둥 내로 상기 제1 가스의 흐름이 향하도록 하기에 충분한 속도를 가지며, 그에 따라 상기 중앙 유입 노즐의 상단 개구부 및 상기 챔버를 한정하는 내면 상에서의 실리콘 퇴적물 형성이 제어되는 것인 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 단열층이 복수개의 접합부를 구비하는 것인 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 단열층의 접합부 사이의 조인트가 세라믹 섬유로 밀봉된 스텝 조인트인 것인 시스템.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 노즐이 상기 실리콘 코팅 생성물 입자의 흐름에 대하여 향류인 냉각 가스 흐름을 제공하도록 배치되는 것인 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 노즐이, 상기 냉각 가스 흐름이 상기 반응기 시스템으로부터 회수 되기 전의 상기 실리콘 코팅 생성물 입자를 냉각하도록 배치된 것인 시스템.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 중앙 유입 노즐 및 유동화 노즐이 상기 챔버로부터 열 전달을 억제하도록 단열되어 상기 제1 가스의 분해 온도보다 더 낮은 온도로 중앙 유입 노즐 내 상기 제1 가스를 유지하는 것인 시스템.
  25. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 히터가 동심 배열 형태로 상기 단열층의 안쪽에 배치된 복수개의 히터를 구비하는 것인 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 복수개의 히터가, 상기 단열층과 상기 착탈식 동심 라이너 사이에 위치하고 서로 등간격으로 이격되어 있는 복수개의 복사 히터를 구비하는 것인 시스템.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 씨드 입자가 실리콘 입자, 실리카 입자, 그래파이트 입자, 석영 입자, 또는 이들의 조합물을 포함하는 것인 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 씨드 입자가 실리콘 입자인 것인 시스템.
  29. (a) 상부 헤드, (b) 바닥 헤드, (c) 전체적으로 수직으로 연장된 중심선을 둘러싸는 전체적으로 튜브 형태의 측벽, (d) 상기 챔버 내로 상방향으로 연장되고, 상방향으로 향하는 개구부를 갖는 단독의 중앙 유입 노즐로서, 상기 단독의 중앙 유입 노즐은 내벽 및 상기 내벽 둘레에 동심원 형태로 배치된 외벽을 더 구비한 단독의 중앙 유입 노즐, (e) 상기 단독의 중앙 유입 노즐 둘레에 배열된 복수개의 높은(elevated) 유동화 노즐로서, 각 유동화 노즐은 상방향으로 향하고 또한 상기 단독의 중앙 유입 노즐의 개구부의 높이보다 아래의 높이에 위치한 배출 개구부를 갖는 유동화 노즐, 및 (f) 상기 바닥 헤드보다 상부 및 상기 복수개의 유동화 노즐의 배출 개구부보다 하부에서 상기 전체적으로 튜브 형태의 측벽을 통과하여 챔버 내로 반지름 방향으로 안쪽으로 연장되는 적어도 하나의 냉각 가스 노즐을 구비하는 용기 내에 한정된 기밀 챔버 내에 씨드 입자 층(bed)을 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 노즐을 통해 수소, 불활성 기체 또는 이들의 혼합물을 대기 온도에서 상기 층(bed)을 유동화시키기에 불충분한 속도로 상기 챔버 내로 흐르게 하는 단계;
    상기 층(bed)을 유동화시키는데 충분한 속도로 상기 챔버를 통해 상방향으로 가스를 흐르게 하는 단계로서, 적어도 일부의 상기 가스는 상기 단독의 중앙 유입 노즐의 내벽에 의해 한정되는 통로를 통과하는 실리콘 함유 기체 스트림 및 상기 내벽 및 상기 외벽 사이의 원환 통로를 통과하는 수소, 불활성 기체 또는 이들의 혼합물의 흐름을 상기 챔버 내로 도입함으로써 제공되는 단계;
    상기 복수개의 유동화 노즐을 통해 수소, 불활성 기체 또는 이들의 혼합물의 스트림을 상기 챔버 내로 주입하는 단계로서, 상기 스트림이 중심선 인근 상기 챔버의 코어 영역에 있는 가스 기둥 내에서 실리콘 함유 기체의 주입 스트림을 함유하도록 각 유동화 노즐의 개구부가 배치되어 있고, 상기 가스 흐름이 조절되는 단계; 및
    상기 챔버의 내용물을 충분히 가열하여 상기 실리콘 함유 기체로부터 실리콘을 방출시켜 상기 씨드 입자 상에 퇴적시킴으로써 실리콘 코팅 생성물 입자를 생성하는 단계;를 포함하는 고순도 실리콘 코팅 입자의 제조방법.
  30. 삭제
  31. 제29항에 있어서,
    상기 챔버에 인가된 실리콘 함유 기체 부피 모두가 상기 단독의 중앙 유입 노즐을 통해 주입되는 것인 방법.
  32. 제29항 또는 제31항에 있어서,
    상기 단독의 중앙 유입 노즐이, 그 중앙선이 상기 노즐의 개구부를 통해 연장되도록 위치하는 것인 방법.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 측벽의 수평 단면적이 상기 단독의 중앙 유입 노즐의 개구부 높이에서 전체적으로 원형인 것인 방법.
  34. 제29항에 있어서,
    상기 복수개의 유동화 노즐의 배출 개구부가 원형 배열로 상기 단독의 중앙 유입 노즐의 개구부로부터 수평으로 이격된 것인 방법.
  35. 제29항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 노즐은 수소, 불활성 기체 또는 이들의 혼합물을 챔버 내로 하방향으로 흐르게 하기 위해, 하방향으로 향하는 배출 개구부를 갖는 방법.
  36. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 냉각 가스 노즐은 하방향으로 향하는 배출 개구부를 갖는 시스템.
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