KR101818685B1 - 과립형 폴리실리콘의 제조를 위한 유동상 반응기 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열 장치를 통해 850∼1100℃의 온도로 가열된 유동상에서 가스 흐름을 이용하여 실리콘 입자를 유동시키는 단계, 1 이상의 노즐을 이용하여 실리콘 함유 반응 가스를 첨가하는 단계, 및 실리콘 입자 상에 실리콘을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 유동상 반응기에서 과립형 폴리실리콘을 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 1 이상의 노즐의 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 56% 이상에서
- 반응 가스 농도가 반응 가스의 최대 농도(10∼50 몰%)의 75%를 초과하고,
- 유동상 온도가 축 대칭 영역 외부의 유동상 온도(850∼1100℃)의 95%를 초과하며,
- 고형분 농도가 유동상의 에지에서의 고형분 농도(55∼90 체적%)의 85%를 초과한다.

Description

과립형 폴리실리콘의 제조를 위한 유동상 반응기 및 방법{FLUIDIZED BED REACTOR AND METHOD FOR PRODUCING GRANULAR POLYSILICON}

본 발명은 유동상 반응기 및 과립형 폴리실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.

다결정 실리콘 입자 또는 간략히 폴리실리콘 입자는 지멘스(Siemens) 공정으로 제조되는 폴리실리콘의 대체물이다. 지멘스 공정에서의 폴리실리콘은 추가의 가공 전에 시간과 비용을 들여 소위 칩 폴리로 분쇄되어야 하고 다시 정제되어야 할 수 있는 원통형 실리콘 로드로서 얻어지지만, 폴리실리콘 과립은 벌크 재료 특성을 가지고 예컨대 광전 변환 소자 및 전자 제품 산업의 단결정 제조를 위한 원료로서 직접 사용될 수 있다.

폴리실리콘 과립은 유동상 반응기에서 제조된다. 이것은 가열 장치에 의하여 고온으로 가열되는 유동상에서 가스 흐름을 이용하여 실리콘 입자를 유동시킴으로서 수행된다. 실리콘 함유 반응 가스를 첨가함으로써, 고온의 입자 표면에서 열분해 반응이 진행된다. 이 공정에서, 원소 규소가 실리콘 입자상에 퇴적(deposition)되고 개개의 입자의 직경이 성장한다. 성장된 입자의 규칙적인 배출에 의해 그리고 시드 입자로서 더 작은 실리콘 입자(이하 본 명세서에서는 "시드"라 함)의 첨가에 의해, 모든 관련 이점을 가지고 방법을 연속적으로 운전할 수 있다. 실리콘 함유 반응물 가스로서, 실리콘-할로겐 화합물(예컨대, 클로로실란 또는 브로모실란), 모노실란(SiH₄), 및 또한 이들 가스와 수소의 혼합물이 개시되어 있다. 이 목적을 위한 이러한 퇴적 방법 및 장치는 예컨대 US 4786477 A호로부터 개시되어 있다.

US 2008299291 A1호는 폴리실리콘 과립의 제조를 위한 유동상 반응기 및 방법을 개시한다. 반응기는 2개의 구역으로 나뉘어 있다. 제1 구역은 실리콘을 포함하지 않는 탑저 가스를 이용하여 약하게 유동시킨다. 반응 가스는 이어지는 반응 구역으로 주입한다. 이 배치를 추가의 수직형 2차 가스(secondary gas) 주입구를 갖는 기포 형성 유동상이라 한다. 반응 가스 노즐 위에, 국소적 반응 가스 제트가 형성되고, 이 안에서 실리콘 함유 가스가 890∼1400℃의 온도에서 시드 입자 상에 퇴적된다.

생성물의 품질 및 목적 생성물인 폴리실리콘 과립의 수율을 최대화하기 위하여 반응 가스 속도에 대한 비로 탑저 가스 속도를 설정하는 것이 매우 중요하다고 개시되어 있다.

속도 비 외에, 반응물 가스의 질량 스트림, 온도, 입도 및 반응 구역의 높이도 최적으로 설정되어야 한다. 또한, 이와 관련해서 기포 형성이 중요한 파라미터이다. 또한, 가스 제트의 최적의 형성, 잘 규정된 노즐간 간격의 기하학적 배치 및 벽에 대한 노즐의 간격이 선택되어야 한다. 노즐 사이의 간격은 노즐 직경(유동상으로의 가스 출구 부위에서의 노즐의 내경)에 대한 노즐 간격의 비가 7.5를 초과하도록 선택되어야 한다.

바람직하지 않은 부산물은 균질한 가스상 퇴적에서 유래하는 실리콘 분진, 연마 및 벽 퇴적에서 유래하는 실리콘 분진이다.

폴리실리콘 생성물에서 결정되는 생성물 품질, 특히, 또한 염소 함량은 유동상 반응기에서의 연속 공정에 의존한다는 것은 공지되어 있다.

US 6007869호는 6∼47 ppmw의 염소 함량을 갖는 폴리실리콘 과립을 청구한다. 염소 함량이 낮기 때문에, 단결정 품질 불량, 분무 효과 및 부식성 가스의 형성과 같은 CZ-풀링시의 부정적인 효과가 회피된다. 폴리실리콘 과립의 제조를 위해, 900℃ 초과의 반응 가스 온도 및 1000℃ 초과의 입자 온도가 선택되어야 한다.

US 5037503호는 15 ppmw 미만의 염소 함량(트리클로로실란으로 퇴적) 또는 7.5 ppmw의 물 함량(실란으로 퇴적)을 갖는 폴리실리콘 과립을 이용하여 실리콘 단결정을 제조하는 것을 개시한다. 이러한 폴리실리콘 과립을 사용할 경우, 결정 인상(crystal pulling) 동안 분무 효과가 일어나지 않는다.

US 2012230903 A1호는, 제1 가스 공급원, 제2 가스 공급원, 및 반응 챔버 사이의 유체 연통을 보장하는 복수의 분배기 개구를 포함하여 반응기의 반응 챔버 안으로 가스를 분배하는 가스 분배기를 구비한 유동상 반응기를 개시하며, 여기서 분배기 개구는 각각 1 이상의 중심 개구 및 하나의 분산 개구(decentralized opening)를 가지며, 분산 개구는 제1 가스 공급원에만 유체 연통 연결되고 제2 가스 공급원에는 연결되지 않는다. 반응기 벽 상의 실리콘 퇴적이 개시된 반응기에 의하여 회피될 수 있다고 기재되어 있다.

US 7927984 B2호에는, 평면으로 보아 분배기 판이 반응 가스를 공급하기 위한 중심 노즐 개구들로 나뉘어 있는 것을 특징으로 하는, 하부가 원뿔형인 유동상 반응기가 개시되어 있다. 또한, 중심 노즐 주위에, 반응기로 에칭 가스를 계량해 넣기 위한 추가의 노즐이 배치되어 있다. 복수의 반응 가스 노즐이 존재할 수 있고 반응 가스 노즐은 반드시 중심에 배치될 필요가 없다고 개시되어 있다.

US 2012269686 A1호는 가스 채널을 포함하는 베이스 판을 구비한 유동상 반응기를 개시하며, 복수의 가스 노즐이 베이스 판에 균일하게 분포되어 있고 베이스 판이 복수의 영역으로 나뉘어져 있으며, 각 영역에, 각각 동일한 개수의 가스 노즐이 존재한다. 상기 영역의 개수는 가스 채널의 개수에 상응한다.

생성물 품질이 개선된 폴리실리콘 과립의 제조 방법을 위해 여러가지 파라미터가 최적화되어야 한다는 것은 선행 기술로부터 공지되어 있다, 유동상 반응기의 반응 구역에서 최적의 반응 조건을 달성하고 이것을 퇴적 공정 동안 안정한 방식으로 유지하는 것이 바람직하다.

이와 관련해서, 반응 노즐 및 유동 노즐의 기하학적 배치가, 가스 제트 및 또한 반응기에 공급되는 에너지 및 매질 스트림의 최적화에 중요한 역할을 한다는 것이 공지되어 있다.

높은 반응 가스 농도, 높은 고형분 농도 및 반응 구역에서의 높은 온도가 동시에 존재하여야 한다.

더 최적화하기 위하여, 현장 측정에 의하여 반응 구역 및 그 중첩 부분에서의 파라미터를 아는 것이 실제로 필요할 것이다. 불행히도, 폴리실리콘 과립의 퇴적을 위한 종래의 유동상 반응기는 도량형학적으로 해당 파라미터를 측정할 수 없다. 이것은 필요한 측정 기구가 반응 가스 혼합물을 견디지 못하기 때문이다. 두번째로는, 내부와 접촉하는 과립 입자의 생성물 품질이 손상된다.

본 발명의 과제는 상기 문제점들에서 유래되었다.

상기 과제는, 가열 장치를 통해 850∼1100℃의 온도로 가열된 유동상에서 가스 흐름을 이용하여 실리콘 입자를 유동시키는 단계, 1 이상의 노즐을 이용하여 실리콘 함유 반응 가스를 첨가하는 단계, 및 실리콘 입자 상에 실리콘을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 유동상 반응기에서 과립형 폴리실리콘을 제조하는 방법으로서, 상기 1 이상의 노즐의 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 적어도 56%에서

- 반응 가스 농도가 반응 가스의 최대 농도(10∼50 몰%)의 75%를 초과하고,

- 유동상 온도가 축 대칭 영역 외부의 유동상 온도(850∼1100℃)의 95%를 초과하며,

- 고형분 농도가 유동상의 에지에서의 고형분 농도(55∼90 체적%)의 85%를 초과하는 제조 방법에 의해 해결된다.

상기 과제는 또한, 과립형 폴리실리콘을 갖는 유동상을 위한 반응기 내관(2) 및 반응기 바닥을 구비한 용기(1), 반응기 내관(2)에서 유동상을 가열하기 위한 가열 장치(5), 유동화 가스를 공급하기 위한 1 이상의 탑저 가스 노즐(19), 및 반응 가스를 공급하기 위한 1 이상의 반응 가스 노즐(20), 반응기 오프 가스를 제거하기 위한 장치(9), 가스 크로마토그래프(10)가 위치하는 오프 가스 도관, 유동상 온도를 측정하기 위한 고온계(18), 실리콘 입자를 공급하기 위한 공급 기기(11) 및 또한 과립형 폴리실리콘의 배출 도관(14)을 포함하는, 과립형 폴리실리콘의 제조를 위한 유동상 반응기로서, 반응기 벽 및 가장 가까이 이격된 반응 가스 노즐(20) 사이의 간격(y)이 1.5r < y < 2.5r(여기서, r은 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 최대 반경임)의 관계를 만족하는 유동상 반응기에 의하여 해결된다.

유동상 반응기는 바람직하게는 복수의 반응 가스 노즐(20)을 포함하고 인접하는 두 반응 가스 노즐(20)의 간격(x)이 이하의 관계식을 만족한다: 2r < x < 3.2r.

바람직하게는, 가스 크로마토그래프(10)와 공급 기기(11) 사이에 컨트롤 섹션(16)이 위치한다.

마찬가지로 가스 크로마토그래프(10)와 가열 장치(5) 사이에 컨트롤 섹션(17)이 위치한다면 바람직하다.

노즐 개구 주위의 축 대칭 영역은 상 중량에 따라 달라지는 반응 구역의 높이 및 또한 반응기의 직경으로부터 얻어지므로, 반응기마다 상이하다. 반응기의 중심에 단 하나의 중심 노즐이 있는 경우, 방사 방향으로 축 대칭 영역의 최대 범위는 반응기 직경에 의하여 주어진다. 축 방향으로, 상기 범위는 반응기 구역의 높이에 의해 주어진다.

이하, 각 반응기에 대하여 축 대칭 영역을 결정할 수 있는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

그러나, 먼저 본 명세서에서 사용되는 일부 용어를 정의한다.

상(bed)은 일반적으로 유동상 반응기내 입자의 덤프 충전을 의미한다.

고정상은 유동상 반응기내 움직이지 않는 입자의 덤핑된 충전물을 의미한다.

유동상 또는 유동층은, 덤핑된 충전물이 유동되는 유동상 반응기내 입자의 덤핑 충전을 의미한다.

상 중량은 유동상에서 유동되는 입자 집합의 질량을 의미한다.

상 높이는 유동 노즐로부터 유동상 위의 고형분 없는 프리보드의 시작부까지의 유동상의 축상 길이를 의미한다.

바람직하게는, 복수의 반응 가스 노즐을 포함하고, 두 인접하는 반응 가스 노즐의 간격(x)이 이하의 관계식을 만족한다: 2r < x < 3.2r(여기서, r는 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 최대 반경임).

바람직하게는, 반응기 벽 및 가장 가까이 이격된 반응 가스 노즐 사이의 간격(y)은 이하의 관계를 만족한다: 1.5r < y < 2.5r.

바람직하게는, 반응 가스의 최대 농도의 75%와 같은 반응 가스 농도의 등치선(isoline), 축 대칭 영역 외부의 유동상 온도의 95%와 같은 온도의 등치선 및 유동상의 에지에서의 고형분 농도의 85%와 같은 고형분 농도의 등치선은, 유동상에서 질소를 함유하는 가스 흐름을 이용하여 실리콘 입자를 유동시키는 것, 질소 및 추적 가스, 바람직하게는 헬륨을 함유하는 가스 혼합물을 1 이상의 노즐을 이용하여 첨가하는 것, 및 또한 고형분 농도, 추적 가스 농도 및 1 이상의 노즐의 축 대칭 영역에서의 온도 분포를 반응기 내부에 설치된 측정 프로브를 이용하여 측정하는 것에 의해 결정된다.

본 발명은 반응 가스 없이 유동상 반응기에서 상기 측정을 실시할 수 있다는 것에 기초한다. 이 목적에서, 실제 퇴적 공정에서와 동일한 가스 속도가 설정된다.

반응 가스 농도 분포에 관한 연구는 추적 가스를 이용하여 실시된다.

또한, 온도 및 고형분 농도 측정이 실시된다.

해당 측정 방법이 이용가능하고 이하에서 상세히 설명한다.

측정 결과에 의해, 최적 제조 공정을 유도하는 제어된 파라미터 변수(탑저 가스 및 반응 가스의 체적 스트림, 반응기 열출력)가 얻어진다.

반응 가스 농도, 고형분 농도 및 반응 구역에서의 온도인 3개의 파라미터 전부가 가능한 최대값으로 추정되지 않는 영역에서는, 예컨대 균질한 실리콘 분진과 같은 원치 않는 부산물이 형성된다.

또한, 측정 결과에 기초하여, 정확히 규정된 노즐의 기하학적 배치 및 또한 베이스 판의 설계에 의하여 가스 공급을 최적화할 수 있다. 그 결과는 최적 베이스 판의 설계에 직접적으로 영향을 준다.

최적 열 전달을 위한 반응기 히터의 이상적인 배치는 유동화와의 상호작용에서 또한 결정될 수 있다.

결정적인 이점으로서, 본 방법 및 장치는 추가의 수직형 보조 주입구를 구비한 기포 유동상에서 폴리실리콘 과립을 퇴적시키기 위한 유동상 반응기의 제조를 위한 베이스 판 배치의 최적 설계를 가능하게 한다.

얻어진 결과로부터, 당업자는 정해진 생성물 파라미터를 달성하기 위하여 노즐을 통해 반응기의 반응 챔버로 주입되는 가스의 속도, 반응기 히터의 온도 분포 및 고형분의 최적 분포를 설정할 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명과 관련해서, 폴리실리콘 과립은 유동상법을 이용하여 제조된다.

도 1은 본 발명의 맥락에서 바람직하게 사용되는 유동상 반응기의 스케치를 도시한 것이다.

유동상 반응기는 반응기 내관(2)이 삽입된 용기(1)로 이루어져 있다.

반응기의 내벽과 내관의 외벽 사이에 중간 공간(3)이 위치한다.

폴리실리콘 과립을 포함하는 유동상(4)은 반응기 관의 내부에 위치한다.

유동상은 가열 장치(5)에 의하여 가열된다.

유동화 가스(7) 및 반응 가스 혼합물(6)은 공급 가스로서 반응기에 공급된다.

가스 공급은 이 경우 노즐을 통하여 표적 방식으로 진행된다.

유동화 가스(7)는 반응 가스 노즐(19)을 통해 공급되고 반응 가스 혼합물은 2차 가스 노즐(반응 가스 노즐)(20)이라 불리는 것을 통해 공급된다.

2차 가스 노즐의 높이는 탑저 가스 노즐의 높이와 상이할 수 있다.

반응기에서, 노즐의 배치를 통해, 기포 유동상에 추가의 수직형 2차 가스 주입구가 형성된다.

반응기 정상부(8)에서, 반응기 오프 가스(9)가 배출된다.

오프 가스 도관에는 온라인 분석을 위한 가스 크로마토그래프(10)가 위치한다.

유동상 온도를 측정하기 위한 고온계(18)가 반응기 헤드(8)에 설치된다.

시드 공급 기기(11)를 통해 반응기 정상부에서 반응기로 시드(12)가 공급된다.

폴리실리콘 과립 생성물(13)은 반응기 바닥부(15)에서 배출 도관(14)을 통해 배출된다.

가스 크로마토그래프(10)와 시드 공급 기기 사이에는 컨트롤 섹션(16)이 존재한다.

가스 크로마토그래프와 반응기 히터 사이에는 추가의 컨트롤 섹션(17)이 존재한다.

가열 장치에 의하여 가열된 유동상에서 가스 흐름을 이용하여 실리콘 시드 입자를 유동시키고 실리콘 함유 반응 가스를 첨가함으로써 열분해를 이용하여 원소 규소를 고온의 시드 입자 표면에 퇴적시켜 다결정 규소 과립을 형성하는 것을 포함하는, 유동상 반응기에서 다결정 실리콘 과립을 제조하는 방법은, 퇴적에 의하여 직경이 성장한 입자를 반응기로부터 제거하고 새로운 시드 입자를 첨가함으로써 연속적으로 운전될 수 있다.

반응 영역에서 유동상의 온도는 바람직하게는 850℃ 내지 1100℃, 특히 바람직하게는 900℃ 내지 1050℃, 매우 특히 바람직하게는 920℃ 내지 970℃이다.

바람직하게는, 시드 입자의 유동화에 수소가 이용된다.

반응 가스는 하나 이상의 노즐을 통해 유동상으로 주입된다.

노즐의 출구에서 국소적 가스 속도는 바람직하게는 0.5∼200 m/s이다.

실리콘 함유 반응 가스의 농도는 유동상을 통하여 흐르는 전체 가스량을 기준으로 하여 바람직하게는 10 몰% 내지 50 몰%, 특히 바람직하게는 15 몰% 내지 40 몰%이다.

반응 가스 노즐에서 실리콘 함유 반응 가스의 농도는 반응 가스 노즐을 통하여 흐르는 전체 가스량을 기준으로 하여 바람직하게는 20 몰% 내지 80 몰%, 특히 바람직하게는 30 몰% 내지 60 몰%이다.

반응기 압력은 0∼7 바아 게이지, 바람직하게는 0.5∼4.5 바아 게이지 범위이다.

예컨대 400 mm의 직경을 갖는 반응기의 경우, 트리클로로실란의 질량 스트림은 바람직하게는 200∼400 kg/h이다.

수소 체적 스트림은 바람직하게는 100∼300 m³(STP)/h이다.

더 큰 반응기의 경우, TCS 및 H2의 양이 더 많은 것이 바람직하다.

일부 공정 파라미터는 반응기 크기에 따라 이상적으로 선택된다는 것은 당업자에게 명백하다. 반응기가 더 큰 경우, 예컨대 직경 800 mm의 반응기의 경우 반응기 열출력, 시드 입자 계량 속도 및 상 중량도 상기 언급된 값보다 높은 것이 바람직하다.

이것을 명확히 설명하기 위하여, 이하에서는, 본 발명과 관련해서 개시된 방법이 유효성을 갖는, 반응기 단면적에 대하여 표준화된 운전 데이터의 범위를 정리한다.

트리클로로실란의 비질량 스트림은 바람직하게는 1600∼5500 kg/(h×m2)이다.

수소의 비체적 스트림은 바람직하게는 800∼4000 m3(STP)/(h×m2)이다.

상의 비중량은 바람직하게는 800∼2000 kg/m2이다.

시드 입자의 비계량 속도는 바람직하게는 8∼25 kg/(h×m2)이다.

반응기의 비열출력은 바람직하게는 800∼3000 kW/m2이다.

시드 입자의 평균 직경은 바람직하게는 400 ㎛ 이상이다.

다결정 폴리실리콘 과립의 입도는 150∼10,000 ㎛이고, 입도 분포의 질량 특이적 평균 값은 850∼2000 ㎛이다.

유동상에서 반응 가스의 체류 시간은 바람직하게는 0.1∼10 s, 특히 바람직하게는 0.2∼5 s이다.

측정 방법

도 1에 도시된 반응기에 대하여 고형분 농도, 추적 가스 농도 및 온도 분포를 결정하기 위한 측정을 실시할 수 있기 위하여, 반응기는 폴리실리콘의 퇴적에 통상적으로 사용되는 반응 가스로 작동되는 것이 아니라 질소로 작동된다. 별법으로, 이후 충분한 반응기 퍼징이 일어난다면 여과된 공기를 이용하여 작동시킬 수도 있다.

측정은 침습성 측정 프로브를 이용하여 실시한다. 이 목적에서, 퇴적 공정 동안 사용되는 반응기 섹션을 특정 반응기 섹선으로 대체한다.

이 공정에서 여러가지 프로브가 강철 파이프에 고정되며 조절 수단을 이용하여 시스템에서 수평 및 수직으로 변환된다.

이러한 방식으로 2차원 또는 3차원 제트 프로파일을 기록할 수 있다. 이 연구와 관련해서, 2차원의 것이 바람직하게 사용된다.

침습법은 2상 흐름에 영향을 주므로 분리대를 사용하여 이용되어야 한다. 흐름이 완전히 프로브 아래에서 형성될 수 있고 더 아래 위치한 프로브에 의하여 편향되지 않도록 주의하여야 한다.

제트 영역에서, 실험 포인트의 격자판을 기록한다. 격자판을 우측 각 표면을 통해 연신한다. 이 표면에서, 반응기의 반경은 수평층의 벡터이다. 수직 방향에서, 표면은 반응기 축의 벡터에 의해 정해진다.

추적 가스 측정

추적 가스로서, 측정에서 반응 가스의 분산을 특징으로 하는 헬륨을 이용한다.

헬륨 농도의 측정을 위해, 모세관 프로브를 통해 반응기 챔버로부터 혼합물을 인출한다.

이어서 헬륨 농도를 질량 분석계를 이용하여 측정한다.

유동상의 단면에 걸친 헬륨의 분포를 측정할 수 있기 위하여, 반응기 벽과 반응기 중심 사이의 복수의 방사상 위치에서 측정 프로브를 이용하여 가스를 인출하고 질량 분석계를 이용하여 분석한다.

각 측정 위치에서, 측정되는 강도(C)는 평균 단면 강도(c_m)와 연관된다.

이 경우 단면은 동심의 고리형 표면으로 나뉘어진다.

평가를 위해, 면적 표준화된 헬륨 농도(c/c_m)를 이용한다.

온도 측정

온도 측정을 위해, NiCr/Ni 금속관에 피팅된 열전쌍을 이용한다.

평가를 위하여, 최대 온도(T_max)와 거의 동일한 제트 외부의 유동상의 온도에 대한, 각각의 위치에서 측정된 온도(T)의 비(T/T_max)의 무차원 플롯을 이용한다. 온도 비가 형성되면, 절대 온도 스케일(캘빈)을 이용한다.

고형분 농도 측정

반응기내 고형분 농도 분포를 용량성 측정 프로브(capacitative measuring probe)를 이용하여 측정한다.

용량성 측정은 여러가지 상의 유전 특성에 기초한 것이다. 각각의 상 분율의 측정을 위해, 소정 체적의 용량(capacity)을 측정한다.

유체상의 유전 상수는 일반적으로 측정된 유전율로부터 측정된 체적 중의 체적 분율을 얻을 수 있는 고체의 유전 상수와 상이하다.

고체의 체적 분율 또는 간략히 고형분 농도는 (1-ε)(여기서, ε는 기공율)로서 표시된다.

측정 개시 전에, 용량성 측정 프로브를 보정하여야 한다.

평가를 위하여, 무차원 표시가 선택된다.

유동상의 에지에서의 고형분 농도(1-ε)_R에 대한 소정 위치에서 측정된 고형분 농도(1-ε)의 비가 형성된다.

측정 결과의 평가

최적 반응 범위를 발견하고 이에 의하여 가스 제트 설정을 확립하기 위하여 이 모든 측정 방법(추적 가스 측정, 온도 측정 및 고형분 농도 측정)을 서로 병렬적으로 고려할 수 있는 평가 방법을 필요로 한다.

축상 및 방사상 제트 확장에 대한 연구에서, 제트 치수는 안으로 흐르는 2차 가스 및 탑저 가스의 상이한 속도 비에 대하여 고려된다.

달라지는 파라미터는 탑저 가스 노즐의 가스 속도(u_B) 및 2차 가스 노즐의 가스 속도(u_R)이다.

측정으로부터, 이하의 데이터가 얻어진다:

- 반응 가스 노즐 위의 축상 높이 및 노즐 개구에 대한 방사상 거리의 함수로서, 면적 표준화된 헬륨 농도(c/c_m)

- 반응 가스 노즐 위의 축상 높이 및 노즐 개구에 대한 방사상 거리의 함수로서, 무차원 온도(T/T_max)

- 반응 가스 노즐 위의 축상 높이 및 노즐 개구에 대한 방사상 거리의 함수로서, 무차원 고형분 함량(1-ε)/(1-ε)_R.

축상 확장은 제한적인 기준을 참조하여 결정되며 무차원 반경에 대하여 플롯된다. 제한적인 농도 및/또는 제한적인 온도를 설정하기 위하여, 적용되는 기준이 가장 바람직하지 않은 조건을 고려한 최악의 공정 시나리오를 가정한다. 화학 반응의 경우, 높은 고형분 농도 뿐만 아니라 높은 2차 가스 농도, 그리고 고온이 반응 구역에 존재하여야 한다.

제트 외부의 헬륨 농도는 주위 온도로 급격히 떨어지지 않기 때문에, 농도 한계가 도입되어야 한다. 화학적 유동상 반응기에서 2차 가스 농도 감소는 두 과정에 의해 야기된다. 유동상의 유체상에서는 분산으로 인해 반응 가스가 희석되지만, 화학 반응에서는, 반응 가스가 동시에 완전히 반응하여 농도가 떨어진다. 측정을 실시할 때 2차 가스로서 불활성 가스를 사용하는 경우에는, 화학 반응이 일어나지 않는다. 추적 가스 농도는 흐름 현상에 의해서만 영향을 받는다. 따라서, 주위 농도보다 훨씬 높게 방사상 제트 확장을 결정하기 위하여 제한 농도를 설정하는 것이 적합하다.

최대 농도를 기준으로 한 헬륨의 제한 농도는 최고 농도의 25%로 설정하는데, 이 농도가 화학 반응에서도 충분히 높은 것으로 입증되기 때문이다. 도 2의 좌측에는, 추적 가스의 75%가 분포되는 반응기 영역이 도시되어 있다. 제한선에 의해 이로부터 분리되어, 우측에는 25% 미만의 농도를 갖는 반응기 영역이 도시되어 있다.

온도 제한을 설정하기 위하여, 헬륨 농도에 대한 경우와 다른 측정이 적용되어야 한다.

대부분의 적용예에서, 유동상은 고온 벽 공정으로 가열된다. 이 경우 공급선에서의 바람직하지 않은 부반응을 방지하기 위하여 충전 동안 2차 가스의 온도는 반응 온도 미만이다. 이것은 충전 동안 노즐 가스가 먼저 유동상에 의하여 반응 온도로 되어야 한고 그 결과 제트 영역에서 온도가 감소된다는 것을 의미한다.

먼저, 고형분 농도가 10% 미만인 노즐 개구 바로 위에서 반응에 필요한 온도 미만으로 온도가 감소되는 것이 유리한데, 그 이유는 바람직하지 않은 균질 가스상 반응이 감소하기 때문이다.

다음으로, 가능한 큰 반응 영역에 대하여 낮은 온도 갭을 형성하는 것이 중요하다. 유동상에서는 온도 평형이 매우 빠르게 완료되므로, 가능한 높은 온도 제한이 채용된다.

온도에 대한 제한 기준은 제트 외부 유동상 온도(T_max)의 95%이다.

따라서, 제한선은, 온도가 더 높은 반응기 구역으로부터, 온도가 유동상 온도(T_max)의 95% 미만인 영역을 분리하다.

화학 공정의 관점에서, 2차 가스, 이 경우 반응 가스로 고형분을 빠르게 혼합하는 것이 바람직하다.

따라서, 고형분 농도 한계는 에지에서의 고형분 농도(1-ε)_R의 85%로 설정된다.

일반적인 도표에서, 노즐 개구로부터의 방사상 거리는 x축에 플롯되고 반응 가스 노즐 위의 축상 위치는 y축에 플롯된다. 측정 결과 및 유도된 제한 기준으로부터, 25%의 추적 가스 농도, 95%의 온도, 85%의 고형분 농도에 대한 등치선이 그려진다. 등치선은 한정된 범위의 영역을 규정한다. 이들 영역의 서로에 대한 그리고 연구되는 측정 영역의 면적에 대한 비를 베이스 판의 어떤 속도 및 어떤 기하학적 형상의 조합이 바람직한가의 평가에 이용한다.

도 2에는, 예컨대, 단 하나의 반응 가스 노즐이 존재할 경우의 실험 데이터 포인트들로부터 얻은 등치선의 구조가 도시되어 있다.

염소 함량의 측정

인스트루먼트 중성자 활성 분석(INAA)에 의하여 벌크 폴리실리콘에서 염소 함량을 측정한다(SEMI PV10).

벌크 염소 함량은 "ppmw" 단위로 측정된다.

RFA를 사용하는 측정도 가능하다.

균질 가스상 퇴적으로부터의 분진 농도의 측정

측정용 체에 과립 생성물 샘플을 놓고, 벌크 재료로부터의 미세한 분진 입자를 유체를 이용하여 완전히 분리하여 유체 중 현탁액을 형성하고, 탈착된 미세 분진 입자를 함유하는 현탁액을 펌프를 이용하여 연속적으로 입자 계량 기기로 운반하여 계량한 다음 샘플로 되돌림으로써, 제조된 폴리실리콘 과립에서의 분진 농도를 측정한다.

퇴적 속도의 측정

퇴적 속도는 질량 평형을 통해 순 퇴적 속도로서 계산한다. 순 퇴적 속도는 개시 속도에서 시드 계량 속도를 뺀 것이다. 따라서, 퇴적 속도는 반응기에서 나가는 폴리-과립 충전물의 질량을 측정하고 시드로서 반응기로 공급되는 폴리-과립 충전물의 질량을 측정함으로써 계산한다.

개개의 노즐의 제트에 대한 연구

최적 공정의 설계를 위해, 먼저 유동상 반응기에서 개개의 노즐을 고려한다.

경계 조건으로서, 연구된 모든 실시예에서, 동일한 질량의 반응 가스 및 유동화 가스를 사용하였다. 또한, 노즐 출구 직경을 일정하게 유지하였다. 얻어진 결과는 달리한 질량 스트림 및 노즐 직경에도 적용될 수 있으므로 표준화된 값을 이용한다.

제트 영역에서의 관계 및 정의는 도 3을 참조하여 개시된다.

반응 가스는 노즐 개구를 통해 노즐 밖으로 흐른다. 탑저 가스는 유동화 노즐을 통해 첨가된다. 탑저 가스는 분배기 판, 소결 판 또는 균일하게 분포되어 배치된 복수의 개개의 노즐을 통해 첨가될 수 있다. 도시된 제트 영역에서, 탑저 가스는 전체 반응기 단면에 걸쳐 상응하는 표면 가스 속도로 이미 완전하고 균일하게 분포되어 있다. 따라서, 어떤 방식으로 탑저 가스를 첨가하는가는 상관없다. 두 가스는 모두 추가의 수직형 2차 가스 주입구를 구비한 기포 유동상을 형성한다.

도시된 제트 영역에서, y 방향으로, 노즐 개구로부터의 축상 간격을 플롯하고, x 방향으로, 노즐 개구로부터의 방사상 간격을 플롯한다.

가스 제트에서의 조건으로 인하여, 온도(L_T), 고형분 농도(L_1-ε) 및 반응 가스(L_G)에 대한 등치선이 형성된다.

도시된 것은 대칭 프로파일의 우측 반쪽이다.

대칭축은 반응 가스 노즐의 수평 중심을 나타낸다.

대칭선 및 등치선(L_T) 사이에, 영역이 한정되며, 이 영역에서, 온도는 제트 외부의 유동상 온도의 5% 미만이다. 등치선(L_T)의 우측에서, 온도는 제트 외부의 유동상 온도의 95%를 초과한다.

마찬가지로, 대칭선과 고형분 농도의 등치선(L_1-ε) 사이에, 영역이 한정되며, 이 영역에서, 고형분 농도는 유동상의 가장자리에서의 고형분 농도의 15% 미만이다. 등치선(L_1-ε)의 우측에서, 고형분 농도는 상기 가장자리에서의 고형분 농도의 85%를 초과한다.

동일한 방식으로, 대칭선과 반응 가스의 등치선(L_G) 사이에, 영역이 한정되며, 이 영역에서, 반응 가스 농도는 최대 농도의 75%를 초과한다. 등치선(L_G)의 우측에서, 반응 가스 농도는 최대 농도의 25% 미만이다.

대칭선 및 등치선(L_T 및/또는 L_1-ε)은 A_T 및 A_1-ε로 표시되는 두 영역을 한정한다.

추가 절차와 관련해서, 이들 두 영역 중 더 작은 영역을 이용한다.

더 작은 영역의 등치선과 대칭선 및 노즐 개구의 교차점에 의하여 형성되는 섹션은 h_T이다.

도 3에서, 예컨대, 이것은 온도 제트의 침투 깊이를 나타낸다.

이 섹션은 상방으로 2배가 된다(2ㆍh_T). 이어서, 수평선(L1)을 우측에 그린다.

상기 수평선과 등치선(L_G)의 교차점(S1)에서, 수직선(L2)을 아래로 그린다.

상기 선(L2)과의 교차점(S2)은 노즐 개구로부터 진행하는 수평선(r)에 의하여 형성된다.

이러한 방식으로 면적 A_ges를 갖는, 변 길이(2×h_T) 및 r을 갖는 직사각형이 얻어진다.

최적 반응 절차에 결정적인 면적은 A_R이다. 이 면적은 기하학적 데이터로부터 용이하게 계산될 수 있다.

상기 면적은 가우스 사다리 공식에 따라 다각형으로 어림함으로써 상기 개시된 절차를 유지하면서 등치선을 갖는 그래프로부터 계산될 수 있다.

이것은 정상부에서 L1에 의해, 우측 및 바닥부에서 L_G에 의해, 좌측에서 대칭선 및 더 우측에 위치한 두 등치선 L_T 및 L_1-ε에 의해 한정된다.

영역 A_R 내에는 높은 고형분 농도 및 높은 반응 가스 농도가 동시에 존재하는 고온이 존재한다.

놀랍게도 다수의 측정 결과로서

A_R > 0.56ㆍA_ges

인 경우에만 최적의 반응 프로필이 예상될 수 있다는 것이 발견되었다.

또한, 면적이 하기 조건을 만족하는 경우 유리한 것으로 판명되었다:

이 경우는 도 3의 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.

이 경우는 바닥부 가스의 속도가 u_G = 0.6 m/s이고, 반응 가스의 속도가 u_R = 75 m/s임으로써 달성되었다. 직경이 400 mm인 반응기에서, 12 kg/h의 폴리실리콘 과립의 퇴적 속도가 달성되었다. 이 경우, 균질한 가스상 퇴적에 의한 분진 형성은 2% 미만이었다. 생성물에서, 20 ppmw의 염소 함량이 달성되었다.

최적 반응 프로필과 대조적으로, 비교예로서 도 4에 도시된 시나리오가 얻어졌다. 여기서, 바닥부 가스의 속도는 u_G = 0.7 m/s이고 반응 가스의 속도는 u_R = 80 m/s이다. 면적 A_R은 본 발명에 따른 실시예로 얻은 면적(A_R < 0.56ㆍA_ges)보다 현저히 작다. 따라서, 최적 반응 조건을 갖는 영역은 더 작아진다. 그 원인은 상이한 속도에 의해 야기되는 가스 제트에서의 등치선의 편차이다. 직경 400 mm의 반응기에서, 10 kg/h의 폴리실리콘의 퇴적 속도가 달성되었다. 균질한 가스상 퇴적에 의한 분진 형성은 이 경우 2% 미만이었다. 생성물에서, 25 ppmw의 염소 함량이 달성되었다. 더 낮은 퇴적 속도 및 더 높은 염소 함량의 원인은 빠른 입자 성장을 유도하는 높은 과포화를 갖는 더 작은 영역이 존재하는 것이다.

추가의 비교예를 도 5에 나타낸다, 여기서, 바닥부 가스의 속도는 u_G = 0.8 m/s이고 반응 가스의 속도는 u_R = 130 m/s이다.

직경 400 mm의 반응기에서, 7.5 kg/h의 폴리실리콘의 퇴적 속도가 달성되었다. 균질한 가스상 퇴적에 의한 분진 형성은 이 경우 20%를 초과하였다. 생성물에서, 38 ppmw의 염소 함량이 달성되었다.

이 실시예에서 면적(A_R)은 매우 작다. 이 시나리오의 추가의 이점은 등치선(L_T)와 등치선(L_1-ε)의 위치가 매우 상이하다는 것이다. 등치선(L_1-ε)이 등치선(L_T)보다 더 우측에 있는 경우, 높은 반응 가스 농도 및 높은 온도가 존재하여도 불충분한 고형분 농도가 기록되는 영역이 형성된다. 그 결과 전체 반응에서 균질한 가스상 퇴적 분율이 증가한다. 고체 입자 시드 상에서의 성장에 의해 높은 과포화가 감소될 수는 없다.

도 6에는 추가의 비교예가 도시되어 있다. 여기서, 바닥부 가스의 속도는 u_G = 0.3 m/s이고 반응 가스의 속도는 u_R = 130 m/s이다. 분출 유동상이 존재한다. 직경 400 mm의 반응기에서, 8 kg/h의 폴리실리콘의 퇴적 속도가 달성되었다. 균질한 가스상 퇴적에 의한 분진 형성은 이 경우 10% 미만이었다. 생성물에서, 35 ppmw의 염소 함량이 달성되었다.

세 등치선 모두 유동상의 상 높이(h_bed)를 관통한다. 노즐 위에, 반응이 일어나지 않는, 고형분이 없는 저온 영역이 형성된다. 바닥부 가스 속도가 낮기 때문에, 에지 영역에서 하방으로 이동하는 입자의 운동이 침체되어 국소적 과열이 일어난다.

복수의 노즐로부터의 제트에 대한 연구

폴리실리콘 과립의 퇴적을 위해 소정의 반응기 내경을 갖는 유동상 반응기의 용량은 여러가지 경계 조건에 따라 달라진다.

중요한 파라미터는 반응기로 공급되는 실리콘 함유 반응 가스의 질량 스트림이다. 개개의 노즐에 비하여 반응 가스 노즐의 가스 제트에서의 조건을 일정하게 유지하기 위하여, 개개의 노즐에서의 질량 스트림을 증가시킴으로써 용량을 증가시킬 수는 없다. 또한, 큰 기포를 유발하기 때문에 직접적으로 노즐 출구 직경을 확장시켜 질량 스트림을 증가시킬 수는 없다.

복수의 개개의 노즐은 반응기 바닥부에 설치되어야 하며 상기 개개의 노즐 모두는 가스 제트에서 가능한 동일한 조건을 가진다. 따라서, 용량은 노즐을 얼마나 조밀하게 배치할 수 있는가에 의해 한정된다.

이 공정에서, 노즐간 상호작용 및 노즐과 반응기 벽간 상호작용은 가능한 적게 일어나야 한다.

두 노즐의 제트 영역간에 강한 상호작용이 일어나는 경우, 반응 온도 미만의 온도를 갖는 큰 영역 및 온도 갭의 큰 분산을 유발할 수 있다. 또한, 불충분한 고형분 함량을 갖는 영역이 발생하고, 또한, 불충분한 반응 가스 농도를 갖는 영역도 발생한다.

상기 개시된 측정 방법 및 이의 평가에 의하여, 반응기 바닥부에서 반응 가스 노즐의 최적 배치 및 필요한 노즐 개수(달성하고자 하는 용량이 존재하고 반응기 직경이 정해진 경우)의 설정이 가능하다.

개개의 노즐에 대한 연구의 설명과 유사하게, 반응기 바닥부로 탑저 가스를 공급하는 방법 또는 탑저 가스 노즐, 분배기 판 또는 소결 판을 배치하는 방법은 상관없다. 도시된 제트 영역에서, 탑저 가스는 전체 반응기 단면에 걸쳐 상응하는 표면 가스 속도로 이미 완전하고 균일하게 분포되어 있다. 개시된 제트 영역에서 두 가스는 모두 추가의 수직형 2차 가스 주입구를 구비한 기포 유동상을 형성한다.

도 7에서, 본 발명에 따른 실시예의 경우는 개개의 노즐에 대한 연구가 다시 참조된다.

노즐 중간점 사이의 소정 간격(x)로 배치되는 2개의 노즐이 도시되어 있다. 개개의 노즐에 대한 연구로부터 설정된 반응 가스 노즐 주위의 소정 반경(r)이 존재하는 경우, 간격(x)는 노즐과 이에 가장 가까운 노즐 사이의 상호작용을 배제하기 위하여 이하의 조건을 만족하여야 한다:

2ㆍrㆍs < x < 2ㆍrㆍ(s+t)

여기서, 파라미터 s 및 t는 일반적으로 s = 1.0 및 t = 0.6의 값을 가져야 한다.

노즐과 반응기 벽 사이의 상호작용을 배제하기 위하여, 벽과 벽에 가장 가까운 노즐 사이의 최단 간격(y)이 이하의 조건을 만족하도록 배치를 선택하여야 한다:

rㆍs < y < rㆍ(s+t)

여기서, 파라미터 s 및 t는 일반적으로 s = 1.5 및 t = 1.0의 값을 가져야 한다.

베이스 판의 바람직한 실시양태

도 8은 제트 측정의 결과에 의해 얻어지는 설계, 베이스 판의 바람직한 실시양태를 도시한 것이다.

반응 가스 노즐은 상기 소정 조건이 만족되도록 배치된다. 간단히 하기 위한 이유에서, 가능한 유동화 노즐은 도시되어 있지 않다. 이것은 소결 베이스, 분배기 판 또는 개개의 노즐에 의하여 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 공지이다.

이 경우 하나의 원 위의 노즐들 사이의 방사상 각도가 일정하게 유지되도록 노즐들은 반응기 중간점 주위의 하나 이상의 동심원 상에 균일하게 분포되어 배치될 수 있다.

다른 바람직한 가능성은 3개 이상의 노즐을 갖는 다발을 형성하고 반응기 중간점 주위에 이들 다발을 균일하게 분포시키는 노즐 배치이다.

다발 배치의 이점은 상이한 다발을 통해 상이한 조성(클로로실란의 농도, 클로로실란의 유형)의 반응 가스 혼합물을 바람직하게 계량할 수 있다는 것이다.

이 경우 개개의 다발에 공급 포트를 통해 소정 반응 가스 혼합물을 공급한다.

다발 배치의 추가의 이점은 중첩되어 상호작용하는 가스 제트 영역에 관하여 서로 독립적인 배치에 의해 간단한 업스케일이 가능하다는 것이다.

발명의 효과

본 방법 및 장치는 추가의 수직형 보조 주입구를 구비한 기포 유동상에서 폴리실리콘 과립을 퇴적시키기 위한 유동상 반응기의 제조를 위한 베이스 판 배치의 최적 설계를 가능하게 한다.

Claims (9)

1. 가열 장치(5)를 통해 850∼1100℃의 온도로 가열된 유동상에서 수소 가스 흐름을 이용하여 실리콘 시드 입자를 유동시키는 단계, 1 이상의 노즐(20)을 이용하여 실리콘 함유 반응 가스로서 트리클로로실란을 첨가하는 단계로서 상기 1 이상의 노즐(20)의 출구에서의 국소적 가스 속도가 0.5∼200 m/s인 단계, 및 실리콘 시드 입자 상에 실리콘을 퇴적시키는 단계를 포함하는, 유동상 반응기에서 과립형 폴리실리콘을 제조하는 방법으로서,
   - 각 경우 반응기 단면적에 대하여 표준화된 - 트리클로로실란의 비질량 스트림이 1600∼5500 kg/(h×m2)이고, 수소의 비체적 스트림이 800∼4000 Nm3(STP)/(h×m2)이며, 유동상의 상 비중량이 800∼2000 kg/m2이고, 시드 입자의 비계량 속도가 8∼25 kg/(h×m2)이며, 반응기의 비열출력이 800∼3000 kW/m2인 상기 제조 방법에 있어서,
   트리클로로실란의 질량 스트림, 수소 체적 스트림 및 반응기 열출력이, 상기 1 이상의 노즐(20)의 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 56% 이상에서,
   - 반응 가스 농도가, 10∼50 몰%인 반응 가스의 최대 농도의 75%를 초과하고,
   - 유동상 온도가, 850∼1100℃인 최대 유동상 온도의 95%를 초과하며,
   - 고형분 농도가, 55∼90 체적%인 유동상의 최대 고형분 농도의 85%를 초과하도록 선택되고,
   노즐 개구 주위의 축 대칭 영역이 다음과 같이 결정되는 것을 특징으로 하는 제조 방법:
   제트 영역에서 반응 가스의 최대 농도의 75%와 같은 반응 가스 농도 등치선(isoline)(L_G), 제트 영역 외부의 유동상 온도의 95%와 같은 온도 등치선(L_T) 및 유동상의 에지(edge)에서의 고형분 농도의 85%와 같은 고형분 농도 등치선(L_1-ε)을 결정하고;
   제트 영역에서 y 방향으로 노즐 개구로부터의 축상 간격이 플롯되고 x 방향으로 노즐 개구로부터의 방사상 간격이 플롯되도록 등치선을 표시하며;
   온도 등치선(L_T) 및 고형분 농도 등치선(L_1-ε)과 방사상 간격 = 0의 선과의 각 교차점으로부터 노즐 개구의 최소 축상 간격(h_T)을 결정하고;
   반응기 벽 및 가장 가까이 이격된 반응 가스 노즐(20) 사이의 간격(y)이 1.5r < y < 2.5r의 관계를 만족하고;
   등치선(L_G)과 축상 간격 = 2h_T의 선과의 교차점으로부터의 노즐 개구의 방사상 간격으로서 축 대칭 영역의 최대 반경(r)을 규정하며;
   최대 축 대칭 영역 = r × 2h_T.
2. 제1항에 있어서, 복수의 반응 가스 노즐(20)이 존재하는 것인 방법.
3. 제2항에 있어서, 인접하는 두 반응 가스 노즐(20)의 간격(x)이 각 경우 2r < x < 3.2r의 관계를 만족하는 것인 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 가스의 최대 농도의 75%와 같은 반응 가스 농도 등치선(L_G), 제트 영역 외부의 유동상 온도의 95%와 같은 온도 등치선(L_T) 및 유동상의 에지에서의 고형분 농도의 85%와 같은 고형분 농도 등치선(L_1-ε)이, 유동상에서 수소 가스 흐름 대신 질소를 함유하는 가스 흐름을 이용하여 실리콘 입자를 유동시키는 것, 트리클로로실란을 첨가하는 대신 측정에서 반응 가스를 분산시키는 것을 특징으로 하는 추적 가스로서 헬륨 및 질소를 함유하는 가스 혼합물을 1 이상의 노즐을 이용하여 첨가하는 것, 및 또한 고형분 농도, 추적 가스 농도 및 1 이상의 노즐(20)의 축 대칭 영역에서의 온도 분포를 반응기 내부에 설치된 측정 프로브를 이용하여 측정하는 것에 의해 결정되고, 축 대칭 영역의 결정 후 과립형 폴리실리콘이 얻어지는 것인 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 퇴적에 의해 직경이 성장된 입자를 반응기로부터 제거하고 새로운 실리콘 입자를 연속적으로 첨가하는 것인 방법.
6. 과립형 폴리실리콘을 갖는 유동상을 위한 반응기 내관(2) 및 반응기 바닥을 구비한 용기(1), 반응기 내관(2)에서 유동상을 가열하기 위한 가열 장치(5), 유동 가스를 공급하기 위한 1 이상의 탑저 가스 노즐(19), 및 반응 가스를 공급하기 위한 1 이상의 반응 가스 노즐(20), 반응기 오프 가스를 제거하기 위한 장치(9), 가스 크로마토그래프(10)가 위치하는 오프 가스 도관, 유동상 온도를 측정하기 위한 고온계(18), 실리콘 입자를 공급하기 위한 공급 기기(11) 및 또한 과립형 폴리실리콘의 배출 도관(14)을 포함하는, 과립형 폴리실리콘의 제조를 위한 유동상 반응기로서,
   반응기 벽 및 가장 가까이 이격된 반응 가스 노즐(20) 사이의 간격(y)이 1.5r < y < 2.5r의 관계를 만족하고
   상기 식에서, r은 노즐 개구 주위의 축 대칭 영역의 최대 반경으로서, r은 하기와 같이 결정되는 것인 유동상 반응기:
   제트 영역에서 반응 가스의 최대 농도의 75%와 같은 반응 가스 농도 등치선(L_G), 제트 영역 외부의 유동상 온도의 95%와 같은 온도 등치선(L_T) 및 유동상의 에지에서의 고형분 농도의 85%와 같은 고형분 농도 등치선(L_1-ε)을 결정하고;
   제트 영역에서 y 방향으로 노즐 개구로부터의 축상 간격이 플롯되고 x 방향으로 노즐 개구로부터의 방사상 간격이 플롯되게 등치선을 표시하며;
   온도 등치선(L_T) 및 고형분 농도 등치선(L_1-ε)과 방사상 간격 = 0의 선과의 각 교차점으로부터 노즐 개구의 최소 축상 간격(h_T)을 측정하고;
   축 대칭 영역의 최대 반경(r)을, 등치선(L_G)과 축상 간격 = 2h_T의 선과의 교차점으로부터의 노즐 개구의 방사상 간격으로서 규정한다.
7. 제6항에 있어서, 복수의 반응 가스 노즐(20)을 포함하고, 인접하는 두 반응 가스 노즐(20)의 간격(x)이 2r < x < 3.2r의 관계를 만족하는 것인 유동상 반응기.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 가스 크로마토그래프(10)와 공급 기기(11) 사이에 컨트롤 섹션(16)이 위치하는 것인 유동상 반응기.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 가스 크로마토그래프(10)와 가열 장치(5) 사이에 컨트롤 섹션(17)이 위치하는 것인 유동상 반응기.

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