KR20170023854A

KR20170023854A - 과립 폴리실리콘 제조를 위한 역순환 유동상 반응기

Info

Publication number: KR20170023854A
Application number: KR1020167036231A
Authority: KR
Inventors: 웬준 엘. 친; 에프. 스콧 파흐렌브룩크; 숀 디. 스키너; 로라 이. 모란; 제프리 씨. 검
Original assignee: 지티에이티 코포레이션
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-03-06
Also published as: US9428830B2; CN106573218A; DE112015003103T5; US20160002773A1; WO2016004184A1

Abstract

반전 유동상 반응기(FBR)는 열적으로 절연된 수직 분리기에 의해 사전-반응 가열 구역, 반응 구역, 및 수소 제거 구역으로 분리된다. 수소 제거 구역은 분리될 수 있고, 또는 가열 구역이 수소 제거 구역으로서 기능할 수 있다. 폴리실리콘의 입자들은 가열 구역을 통해 상방으로 그리고 반응 구역의 정상으로 순환하고, 거기서 실리콘의 증착이 발생되고, 성장된 입자들은 그들이 사전-반응 가열 구역의 바닥으로 다시0들어갈 때까지 서서히 정착된다. 따라서, 분진 형성, 벽 증착, 및 제품 실리콘 입자들 내의 수소 함량이 최소화된다.

Description

과립 폴리실리콘 제조를 위한 역순환 유동상 반응기{REVERSE CIRCULATION FLUIDIZED BED REACTOR FOR GRANULAR POLYSILICON PRODUCTION}

본 출원은 인용에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 통합되는, 2014. 7. 2.자로 출원된 미국 출원 번호 14/322,351의 우선권을 주장한다.

본 발명은 폴리실리콘을 제조하기 위한 반응기들에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 폴리실리콘을 제조하기 위한 유동상 반응기들에 관한 것이다.

유동상 반응기(FBR) 내에서 화학증착법을 통한 폴리실리콘의 제조는, 벨-자(bell-jar) 반응기 내에서 실란 또는 클로로실란을 실리콘 "슬림" 봉들로 분해하는, 전통적인 지멘스(Siemens) 공정에 비해 장점들을 가진다. FBR 반응기의 일 형태의 특정 설계를 도시하는, 도 1a를 참조하면, 적어도 하나의 분리기(102)는 반응 챔버(100)를 사전-반응 가열 구역(104)과 반응 구역(106)으로 나눈다. 도 1a의 특정의 예에서, 분리기는 원통형의, 수직 분리기(102)이므로 구역들(104, 106)은 동심원이다. 폴리실리콘의 작은 "시드(seed)" 입자들은 입자 입구 포트(110)를 통해 사전-반응 가열 구역(104) 속으로 도입되고, 거기서 히터(108)에 의해 적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 반응 가스의 실리콘 증착 온도보다 높은 온도로 가열된다. 실리콘을 함유하지 않는 사전-반응 유동 가스, 전형적으로 수소 가스는 사전-반응 가스 포트(112)를 통해 사전 반응 가열 구역(104) 속으로 도입되고, 거기서 실리콘 입자들로 유동화한다.

사전-반응 유동화 가스의 유동률은, 실리콘 입자들이 사전-반응 가열 구역을 느리게 빠져나와 반응 구역(106)의 바닥으로 떨어지게 하는 레벨로 조절된다. 거기서, 그들은, 반응 가스 포트(114)를 통해 반응 구역(106) 속으로 도입된, 반응 가스에 의해 유동화된다. 실리콘 입자들의 고온에 기인하여, 반응 가스가 입자들과 접촉할 때 분해되고, 실리콘이 입자들 위에 증착되어 그들을 성장시키게 된다. 결국, 입자들이 너무 무겁게 되어 반응 가스가 상승할 수 없고, 그들은 출구 포트(118)를 통해 반응기를 빠져나온다. 도 1a에서 주어진 예와 같은, 일부 경우들에서, 반응 가스는 분리기(102)의 꼭대기 위로 실리콘 입자들의 적어도 일부를 상승시킬 수 있으므로, 그들이 가열 구역(104)으로 다시 떨어질 수 있다. 이것은 입자들이 반응 구역(106)에 떨어질 만큼 충분히 무거워지기 전에 냉각하는 입자들이 가열 구역(104)을 통해 재-순환되게 한다.

실리콘 FBR 기술은 수년간 산업화되었다. 지멘스 반등기들과 비교하여 실리콘 제조를 위한 FBR 반응기들의 장점들은, 낮은 에너지 소모 및 연속적은 작동을 포함한다. 또한, 실리콘 제품은 분말 형태로서, 실리콘 잉곳들과 단결정(single crystal)들의 제조를 위한 다운스트림 공정들에서 쉽게 취급될 수 있다.

그러나, 몇몇 문제들은 여전히 존재하고 공정 및 제품 품질에 영향을 미친다. 이러한 문제들의 하나는 분진 형성이다. 반응 가스가 시드 입자들에 의해 가열될 때, 적어도 일부 반응 가스 분자들의 온도는, 그들이 실리콘 입자와 직접 접촉하지 않을 때에도, 그들의 분해 온도보다 높게 상응할 수 있다. 결과적으로, 반응 가스 내의 분자들이 자연스럽게 분해될 수 있고, 실리콘 "분진"의 매우 미세한 입자들을 형성하게 된다. FBR 반응기 내의 분진 형성은 실리콘 낭비일뿐만 아니라, 그것의 낮은 밀도 때문에, 취급이 어렵다. 분진은, 실리콘 제품 입자들의 표면에 부착될 때, 또한 실리콘 제품의 품질을 저하시킨다.

종래의 FBR 반응기들에서 또 다른 문제는 수직 분리기(102) 및/또는 FBR 챔버(100)의 벽들 상에 반응 가스의 증착이다. FBR 내의 입자들을 가열시키는 하나의 방법은, 도 1a에 도시된 바와 같이, 외부 히터들을 사용하여 사전-반응 가열 구역(104)의 벽들을 가열하여, 벽들이 전도에 의해 사전-반응 가열 구역(104) 내부의 입자들로 열을 전달하는 것이다. 이러한 구성들에서, 사전-반응 가열 구역의 벽들은 입자들보다 더 뜨겁고, 임의의 반응 가스가 그들에 도달하면, 결과는 벽들 상에 실리콘의 증착이 될 것이다. 벽들 상의 실리콘 층이 너무 두껍게 될 때, FBR 작동은 벽들로부터 실리콘의 제거를 허용하도록 멈춰져야만 한다.

종래의 FBR 반등기들을 사용하는 세 번째 문제점은 과립 폴리실리콘 제품 내에서 전형적으로 발견되는 수소의 높은 농도이다. 수소 가스는 종종 가스 포트(112)를 통해 도입되는 사전-반응 유동화 가스로서 사용되고, 수소 가스는 또한 자주 반응 가스의 컴포넌트이다. 내부에 갇히고 및/또는 제품 실리콘 입자들의 표면 상에 흡수되는 수소는, 용융으로부터 성장된 잉곳들 또는 결정들의 품질에 유해할 수 있는, 다운스트림의 용융 공정에서 거품들을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 실리콘이 사용되기 전에, 수소는 FBR 반응기에 의해 생성된 과립 실리콘 입자들로부터 우선 제거되어야만 한다. 일반적인 접근법은, 입자들이 수소 가스에 의해, 또는 일부 다른 수소 제거 가스에 의해 유동화되고, 수소를 떠나게 하는 고온으로 가열되는, FBR과 별개인 분리된 수소 제거 구역으로 그들을 전달함으로써 실리콘 입자들로부터 수소를 분리하는 것이다. 그러나, 이러한 접근법은 별개의 공정과 별개의 장비를 필요로 한다. 공정을 보다 복잡하게 하고, 자본과 작동 비용들 모두를 증가시킨다.

도 1a의 FBR 내에서 실리콘 입자들이 순환하는 방향에 주목하는 것은 중요하다. 이러한 순환 방향은 도 1b에 보다 분명하세 예시된다. 실리콘 입자들은 그들이 사전-반응 가열 구역(104)에서 가열될 때 그들이 반응 가스와 접촉하는 반응 구역(106)의 바닥에 들어갈 때까지 하방으로 이동한다. 결과적으로, 실리콘 입자들은 실리콘 농도가 가장 높고, 입자들이 최대 온도인, 영역 내에서 반응 가스와 초기에 접촉하게 된다. 이것은 실리콘 증착의 초기 속도를 가속화시키고, 평균적으로, 실리콘 제품으로서 제거되기 전에, 입자들이 반응기 내에 남아 있어야만 하는 시간의 양을 감소시킨다. 그러면, 입자들은 반응 가스에 의해 상방으로 이송되고, 출구 포트(118)를 통해 반응기로 떨어지는 충분한 실리콘을 수용하지 않는 그들 입자들은 수직 분리기(102) 위로 이송되어 다시 하방으로 떨어지고 사전-반응 가열 구역(104) 내에서 가열된다.

유감스럽게도, 입자들을 상방으로 이송하는, 반응 가스의 보다 더 높은 유동률률에 기인하여, 입자들이 하방으로 이동하게 하는, 사전-반응 유동화 가스와 비교하여, 반응 가스의 일부는 또한 수직 분리기(102) 위 또는 아래로 이동할 것이 불가피하므로 사전-반응 가열 구역 속으로 들어가서, 그것은 실리콘 분진을 용이하게 형성할 것이고 가열된 벽들 상에 증착될 것이다.

따라서, 본 발명은 실리콘 분진을 덜 생성하고, 벽들, 히터들 및 구역 분리기들 상에 실리콘의 증착을 최소화하고, 감소된 수소 함량을 이용하여 실리콘 제품을 제조함으로써, 개별 수소 제거 단계가 필요없는 폴리실리콘 FBR 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

역류를 가진 유동상 반응기(FBR)는 실리콘 분진의 생성을 최소화하고, 벽들, 히터들, 및 구역 분리기들 상에 실리콘의 증착을 최소화시키고, 감소된 수소 함량으로 실리콘 제품을 제조함으로써, 별개의 수소 제거 단계가 필요하지 않다. 반응기는 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로 폴리실리콘의 입자들을 들어올리는 사전-반응 가열 가스 유동을 제공함으로써, 그들은 반응 구역으로 들어가서 먼저 반응 구역의 바닥보다는 꼭대기에서 반응 가스를 경험한다. 입자들이 반응 구역을 통해 느리게 정착하고 사전-반응 가열 구역의 바닥에 다시-들어가는 것을 허용하기 위해, 반응 가스의 유동은 상대적으로 더 약해진다. 결과적으로, 반응기를 통한 실리콘 입자들의 순환은 종래의 내부적으로 순환하는 FBR의 것과 비교하여 반대로 된다.

사전-반응 가스 속도가 반응 가스 속도보다 더 높기 때문에, 있다고 하더라도, 사전-반응 가열 구역으로의 반응 가스의 누출이 거의 없으므로, 분진 형성 및 사전-반응 가열 구역 내부의 벽들 상의 실리콘의 증착을 최소화시킨다.

입자들은 반응 구역의 꼭대기에서 더 뜨겁고 반응 구역의 바닥에서 더 차갑기 때문에, 반응 가스는 또한 실리콘 농도가 가장 낮은, 반응 구역에서 더 뜨겁고, 실리콘의 농도가 가장 높은, 반응 구역의 바닥에서 더 차갑다. 결과적으로, 반응 가스의 가열에 기인하는 분진의 형성이 감소되고, 반응 가스에 의해 반응 구역의 벽들 상의 실리콘 증착이 최소화된다.

실시예들에서, 사전-반응 가열 구역을 반응 구역으로부터 분리시키는 적어도 하나의 수직 분리기는 열적으로 절연됨으로써, 반응 구역의 벽들의 가열이 감소되고, 벽들의 온도가 최소화된다. 이것은 반응 구역의 벽들 상의 실리콘의 증착을 더 감소시킨다. 이들 실시예들의 일부에서, 수직 분리기는 절연재로 제조되거나 절연재로 충진된다. 다른 실시예들에서, 수직 분리기는 진공처리되거나 가스-충진된 공간에 의해 분리된 이중 벽들을 포함한다.

본 발명의 FBR은 또한 실리콘 입자들로부터 갇히고 흡수된 수소를 제거한다. 일부 실시예들에서, 사전-반응 가열 구역 또한 수소 제거 구역으로서 기능한다. 다른 실시예들에서, 별개의 수소 제거 구역이 제공된다. 다양한 실시예들에서, 가스들의 유동률들은, 평균적으로, 반응기의 반응 구역과 수소 제거 구역 사이에서 적어도 50회로, 실리콘 입자들이 순환하게 할 수 있도록 조절됨으로써, 입자들은, 반응 공정이 완료된 후 단일 단계에서 라기보다는, 반응 공정 동안 거의 연속적으로 되풀이하여 수소가 제거된다.

일부 실시예들에서, 가스 유동들이 반응 동안 연속적인 반면, 다른 실시예들에서 가스의 펄스들은 실리콘 입자들을 모두 함께 구역들 사이에서 전달하는데 사용된다.

반응 챔버는 원통, 직사각, 또는 임의의 다른 적절한 형상일 수 있고, 나란하거나 동심원인 구역들로 분리될 수 있다.

본 발명의 하나의 일반적인 측면은 폴리실리콘을 제조하기 위한 방법이다. 방법은, 반응기 내부에서 사전-반응 가열 구역, 반응 구역, 및 수소 제거 구역을 생성하는 적어도 하나의 수직 분리기를 가진, 내부적으로 재순환하는 유동상 반응기를 제공하는 단계를 포함하고, 상기 구역들은 서로 입자 연통되어 있다. 방법은 폴리실리콘 입자들을 반응기 속으로 도입시키는 단계, 사전-반응 유동화 가스를 사전-반응 구역으로, 적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 반응 가스를 반응 구역으로, 및 수소 제거 가스를 수소 제거 구역 속으로 도입시키는 단계를 더 포함하고, 상기 가스들의 각각은 폴리실리콘 입자들에 관한 최소 유동화 속도 및 적어도 동일한 속도로 도입된다.

가스들의 속도들은 폴리실리콘 입자들이 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 반응 구역을 통해 하방으로, 및 수소 제거 구역을 통해 순환하게 하기 위하여 제어됨으로써, 폴리실리콘 입자들은 반응 가스를 위한 최소 반응 온도보다 높은 반응 온도로 사전-반응 가열 구역 내에서 가열되고, 실리콘은 반응 구역 내의 폴리실리콘 입자들 상의 반응 가스로부터 증착되고, 폴리실리콘 입자들은 폴리실리콘 입자들로부터 수소를 제거하는데 충분한 온도로 수소 제거 구역 내에서 가열됨으로써, 순환은 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 변환되게한다. 결과적으로, 방법은 반응기로부터 실리콘 제품을 제거하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 폴리실리콘 입자들은 구역들 사이에서 연속적으로 순환한다. 다른 실시예들에서, 반응 가스에 의한 실리콘의 그 위의 증착에 기인하여 폴리실리콘 입자들이 덩어리로 증가할 때 가스들의 속도들이 증가된다.

일부 실시예들은 구역들 사이에서 폴리실리콘 입자들의 이동을 제어하기 위하여 구역들 속으로 도입되는 가스들의 속도들을 변화시키는 단계를 더 포함한다. 이들 실시예들의 일부에서, 폴리실리콘 입자들은 구역들 사이에서 펄스로 순환한다.

예시적 실시예들에서, 수소 제거 구역은 사전-반응 가열 구역과는 완전히 다르다. 다른 실시예들에서, 사전-반응 가열 구역은 수소 제거 구역이고, 사전-반응 유동화 가스는 수소 제거 가스이고, 폴리실리콘 입자들은, 그들이 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 반응 구역을 통해 하방으로, 및 사전-반응 가열 구역을 통해 다시 상방으로 순환할 때, 사전-반응 가열 구역 내에서 폴리실리콘 입자들로부터 수소 가스를 제거하는데 충분한 온도로 가열된다.

일부 실시예들에서, 사전-반응 가열 구역은 반응 구역을 둘러싼다. 이들 실시예들의 일부에서, 수직 분리기는 원통이다.

다양한 실시예들에서, 실리콘-함유 반응 가스는 실란(SiH₄) 가스를 포함한다. 이들 실시예들의 일부에서, 실리콘-함유 반응 가스는 실란과 수소의 혼합물이다.

특정의 실시예들에서, 사전-반응 유동화 가스, 실리콘-함유 반응 가스, 및/또는 수소 제거 유동화 가스는 수소 가스를 포함한다.

예시적 실시예들은 실리콘-함유 반응 가스의 온도를 폴리실리콘 입자를 냉각시키기 위해 반응 구역 내에서 요구되는 반응 온도까지 감소시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 분리기는 진공 공간 및 0.5 W/(m-K) 미만의 열전도도를 가진 열절연 물질의 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 발명의 다른 일반적인 측면은 내부적으로 재순환하는 유동상 반응기이다. 유동상 반응기는 반응기 내부에서 사전-반응 가열 구역, 반응 구역, 및 수소 제거 구역을 생성하는 수직 분리기, 반응기 속으로 폴리실리콘 입자들을 도입하기 위한 폴리실리콘 입자 입구, 폴리실리콘 입자를 사전-반응 구역 내의 반응 온도로 가열하기 위한 사전-반응 히터, 폴리실리콘 입자들을 수소 제거 구역 내의 수소 제거 온도로 가열하기 위한 수소 제거 히터, 사전-반응 유동화 가스를 사전-반응 가열 구역 속으로 도입하기 위한 사전-반응 가스 입구, 적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 반응 가스를 반응 구역 속으로 도입하기 위한 반응 가스, 수소 제거 유동화 가스를 수소 제거 구역으로 도입하기 위한 수소 제거 가스 입구, 적어도 하나의 가스 출구, 실리콘 제품 출구, 사전-반응 히터와 수소 제거 히터에 의해 가해진 열을 제어하는 히터 제어 시스템, 및 가스들이 그들의 대응하는 구역들로 도입되는 속도들을 제어하는 가스 제어 시스템을 구비하고, 상기 구역들은 서로 입자 연통되어 있고, 상기 가스 제어 시스템은 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 변환될 때까지 폴리실리콘 입자들이 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 반응 구역을 통해 하방으로, 및 수소 제거 구역을 통해 사이클하도록 구성되어 있다.

실시예들에서, 가스 제어 시스템은 폴리실리콘 입자들을 구역들 사이에서 연속적으로 순환하도록 구성된다.

다양한 실시예들에서, 가스 제어 시스템은 반응 가스에 의해 실리콘 상의 증착에 기인하여 폴리실리콘 입자들의 질량이 증가할 때 가스들의 속도를 증가시키도록 구성된다.

예시적 실시예들에서, 가스 제어 시스템은 구역들 사이에서 폴리실리콘 입자들의 이동을 제어하기 위하여 가스들이 구역들 속으로 도입되는 속도들을 변화하도록 구성된다. 이들 실시예들의 일부에서, 가스 제어 시스템은 구역들 사이에서 폴리실리콘 입자들을 펄스로 순환하도록 구성된다.

일부 실시예들에서, 수소 제거 구역은 사전-반응 가열 구역과 분명하게 구별된다. 다른 실시예들에서, 사전-반응 가열 구역은 수소 제거 구역이고, 사전-반응 히터는 수소 제거 히터이고, 사전-반응 유동화 가스는 수소 제거 가스이고, 가스 제어 시스템은 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 변환될 때까지 폴리실리콘 입자들이 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 반응 구역을 통해 하방으로, 및 수소 제거 구역을 통해 다시 상방으로 사이클하도록 구성된다. 이들 실시예들의 일부에서, 사전-반응 가열 구역은 반응 구역을 둘러싼다. 이들 실시예들의 일부에서, 수직 분리기는 원통이다.

다양한 실시예들에서, 분리기는 진공 공간 및 0.5 W/(m-K) 미만의 열전도성을 가진 열적으로 절연재의 적어도 어느 하나를 포함한다.

본 명세서에 설명된 특징들과 장점들은 모두를 포함하는 것은 아니고, 특히, 많은 부가적인 특징들과 장점들은 도면들, 상세한 설명, 및 청구범위의 관점에서 당업자에게 명백할 것이다. 게다가, 상세한 설명에서 사용된 언어는 원칙적으로 가독성과 교육을 위한 목적으로 선택되었고, 본 발명의 주제의 범위를 한정하는 것은 아니다.

도 1a는 선행기술의 순환하는 유동상 반응기(FBR)을 도시한다.
도 1b는 도 1a의 FBR 내의 가열 및 반응 구역들을 통한 실리콘 입자들의 순환의 방향을 도시한다.
도 2는 가열 및 반응 구역들이 동심원이고, 히터들이 가열 구역 내부에 포함되고, 가열 구역 또한 수소 제거 구역으로서 기능하는, 본 발명의 실시예의 사시도이다.
도 3은 히터가 반응 챔버 외부에 있고, 반응 챔버 벽을 통한 열전도에 의해 가열 구역을 가열하는 것을 제외하고, 도 2와 유사한 실시예들의 사시도이다.
도 4는 도 1b와 비교하여, 가열 및 반응 구역들을 통해 실리콘 입자들의 유동의 역방향을 도시하는, 도 3의 실시예의 단면도이다.
도 5는 가열 및 반응 구역들이 동심원 대신에 나란한 것을 제외하고, 도 2와 유사한 실시예의 사시도이다.
도 6은 반응 챔버가 직사각이라는 것을 제외하고, 도 5와 유사한 실시예의 사시도이다.
도 7은 가열 및 반응 구역들을 통한 실리콘 입자들의 유동의 방향을 나타내는, 도 6의 실시예의 사시도이다.
도 8은 반응 챔버가 3개의 구역으로 분리됨으로써, 수소 제거 구역이 가열 및 반응 구역들로부터 분명히 구별되는 것을 제외하고, 도 5와 유사한 실시예의 사시도이다.

본 발명은 실리콘 분진의 생성을 최소화하고, 벽들과 구역 분리기들 상의 실리콘 증착을 최소화하고, 감소된 수소 함량으로 실리콘 제품을 생산함으로써, 실리콘 제품이 반응기로부터 제거된 후 별도의 수소 제거 단계가 필요없는, 내부적으로 역으로 순환하는 유동상 반응기(FBR)이다. 반응기는 사전-반응 구역을 통해 폴리실리콘의 입자들을 상방으로 이동시킬 수 있으므로, 폴리실리콘 입자들이 반응 구역으로 들어가서 반응 구역의 정상에서 반응 가스와 먼저 접하게 되는, 사전-반응 가열 가스 유동을 제공한다. 반응 가스의 유동은 상대적으로 더 약하기 때문에, 입자들은 반응 구역을 통해 느리게 정착되고 사전-반응 가열 구역의 바닥으로 다시-들어간다. 결과적으로, 본 발명을 통한 실리콘 입자들의 순환은 종래의 내부적으로 순환하는 FBR의 그것과 비교하여 반전된다.

본 발명의 원통형 실시예가 도 2에 도시된다. 반응 챔버(100)는 원통형의, 수직 분리기(102)에 의해 사전-반응 가열 구역(104)과 동심의 반응 구역(106)으로 분리된다. 본 실시예에서 수소 제거 구역으로서 또한 기능하는, 사전-반응 가열 구역 내에서, 실리콘 입자들은 사전-반응 가스 포트(112)를 통해 도입되는 사전-반응 가스에 의해 유동화된다. 다양한 실시예들에서, 사전-반응 가스는 순수 소소 또는 질소와 같은 다른 실리콘이 없는 가스의 어느 하나이다. 반응 구역(106) 내에서, 입자들은 적어도 하나의 실리콘 시약을 포함하고 반응 가스 포트(114)를 통해 반응 구역(106) 속으로 도입되는 반응 가스에 의해 유동화된다. 도 2의 실시예에서 반응 가스는 실란과 수소의 혼합물이다. 유사한 실시예들에서, 반응 가스는 질소 또는 적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 가스를 가진 일부 다른 불활성 가스의 혼합물이다.

실리콘 입자들은 수직 분리기(102)의 정상 위 또는 바닥 아래의 유동에 의해 구역들 사이로 이동함으로써, 유동화 가스들의 상대 유동 속도들에 따라 구역들 사이에서 입자들의 내부 순환을 가능하게 한다. 입자들이 사전-반응 가열 구역(104)을 통해 상방으로 그리고 반응 구역(106)을 통해 하방으로 유동하도록 하기 위하여, 가스 유동 속도들은 제어기(도면에서 미포함)에 의해 제어된다.

사전-반응 가열 구역(104) 내에서, 입자들이 사전-반응 가열 구역(104)의 정상을 향해 상방으로 이동할 때, 입자들은 예를 들어, 실란-함유 반응 가스를 위한 650℃의 증착 온도보다 다소 더 높은 온도로 가열된다.

반응 가스는 동종의 핵형성(nucleation)(분진-형성) 온도보다 훨씬 더 낮은 온도에서 반응 구역(106)으로 들어간다. 반응 가스가 반응 구역(106)을 통해 상승할 때, 반응 가스 내의 실리콘 시약은 입자들의 뜨거운 표면들 상에 분해되고 그 위에 폴리실리콘을 증착한다. 실란-함유 반응 가스의 경우에, 실란은 반응식 : SiH₄ => Si + 2H₂을 통해 거의 100% 변환을 가진 실시예들에서 분해된다. 이것은, 차가운 반응 가스가 뜨거운 실리콘 필라멘트 봉을 접하는, 전통적인 시멘스 화학적 기상층착(CVD) 반응기와 비교될 수 있다. 뜨거운 실리콘 입자들이 반응 구역(106)을 통해 떨어지기 때문에, 열은 더 뜨거운 입자들로부터 상대적으로 더 차가운 반응 가스로 전달된다. 가스 내의 실란의 농도가 가장 높고 다수의 실란 분해가 발생하는, 반응 구역(106)의 바닥에서 반응 가스는 가장 낮은 온도이므로, 동질의 핵형성을 통해 형성된 분진의 양과 반응 구역의 벽들 상의 반응 가스에 의해 증착되는 실리콘의 양은 모두 감소된다.

사전-반응 유동화 가스와 반응 가스 모두는 하나 이상의 배기 포트들(116)을 통해 반응기를 떠나는 한편, 실리콘 입자들은 수직 분리기(102) 아래로 재가열될 사전-반응 가열 구역으로 복귀한다. 다양한 실시예들에서, 가스 제어기는 실리콘 입자들이, 실리콘 제품으로서 제거되기 전에, 평균, 적어도 50회로 사전-반응 가열 구역(104)과 반응 구역(106)을 통해 순환하도록 구성된다.

도 2의 실시예에서, 히터들(108)은 사전-반응 가열 구역(104) 내부에 위치된다. 히터들(108)과 실리콘 입자들 사이의 높은 열전달률에 기인하여, 사전-반응 가열 구역 내측의 입자 온도는 거의 균일하다. 도 3은 히터가 반응 챔버(100)의 외부에 있고 챔버(100)의 벽들을 통한 열전도에 의해 사전-반응 가열 구역(104) 내의 입자들을 가열하는 유사한 실시예를 예시한다. 도 4는 실리콘 입자들이 반응 챔버(100) 내부에서 순환하는 방향을 도시하는, 도 3에 유사한 실시예의 단면 예시이다. 도 1b와 비교할 때, 본 발명에서 입자 순환의 방향은 선행기술과 비교하여 반전되는 것이 명백하다.

반응 가스와 비교하여 사전-반응 유동화 가스의 더 높은 유동 속도에 기인하여, 사전-반응 가열 구역(104) 속으로의 반응 가스의 진입이 최소화되거나 제거된다. 결과적으로, 히터들, 벽들, 또는 사전-반응 가열 구역(104)을 면하는 수직 분리기(102)의 표면들 상의 실리콘 증착이 최소화되거나 제거된다.

반응 구역 내부에서, 실리콘 입자들의 표면들보다 상당히 더 뜨거운 표면은 없다. 그러므로, 실리콘 증착은 실리콘 입자들의 표면 상에서 대부분 발생할 것이고, 반응 구역의 벽들 상의 증착은 최소화되거나 제거될 것이다. 실시예들에서, 반응 구역으로부터 사전-반응 가열 구역을 분리하는 적어도 하나의 수직 분리기는 열적으로 절연되고, 예를 들어, 0.5 W/(m-k) 미만의 열전도성을 가지므로, 반응 구역의 벽들의 가열이 최소화되고, 벽들이 반응 가스의 고온에 도달하는 것이 방지된다. 이것은 반응 구역의 벽들 상에 실리콘의 증착을 더 감소시킨다. 이들 실시예들의 일부에서, 수직 분리기는 절연재로부터 제조되거나 절연재로 충진된다. 다른 실시예들에서, 수직 분리기는 벽들 사이에 가스-충진된 틈새 또는 진공처리된 공간을 가진 이중 벽들을 포함한다.

많은 다른 FBR 구성들은 본 발명의 범주 내에 있다. 예를 들어, 수직 분리기(102)가 원통형이고 구역들(104, 106)이 동심원인 도 2의 실시예와 비교하여, 도 5는 똑바른 수직 분리기(102)에 의해 2개의 절반들(104, 106)로 분리된 원통형 챔버(100)를 나타낸다. 다른 예는, 도 6에서 직사각 챔버(100)가 똑바른 수직 분리기(102)에 의해 2개의 구역들(104, 106)로 분리된 형태로 주어진다. 도 7은 도 6의 실시예에서 입자들의 유동 방향을 예시하고, 또한 반응 구역(106) 속으로의 시드 입자들(700)의 진입 및 사전-반응 가열 구역(104)으로부터의 실리콘 제품(702)의 제거를 예시한다.

전술한 바와 같이, 과립 폴리실리콘은 예를 들어, 잉곳들 또는 결정들을 형성하기 위해, 실리콘 입자들이 FBR로부터 제거되고 용해될 때 거품들을 형성할 수 있는, 갇힌 수소 가스의 특정의 양을 전형적으로 포함하는 유동상 반응기 내에서 생성되는 것이 잘 알려져 있다. 선행기술의 전형적인 해결책은, FBR과 뚜렷이 구별되는, 별개의 수소 제거 챔버로 실리콘 입자들을 전달시킴에 의해, 또는 생산 운전이 완료된 후 FBR의 가열 구역(104)으로 실리콘 입자들을 복귀시킴에 의해 실리콘 입자들에서 수소를 제거하고, 수소 가스에 의해 입자들을 유동화하고 입자들로부터 수소의 적어도 일부를 제거하기 위하여, FBR 반응 동안 사용되는 온도보다 전형적으로 더 뜨거운, 높은 온도로 입자들을 가열하는 것이다.

그에 반해서, 본 발명의 실시예들에 따른, 실리콘 증착과 수소 제거는 단일의 유동상 반응기 내부에서 동시에 발생한다. 도 2 내지 도 6의 실시예들과 같은, 일부 실시예들에서, 사전-반응 가열 구역은 또한 수소 제거 구역으로서 기능한다. 이들 실시예들의 일부에서, 가스 제어기(미도시)는 실리콘 입자들이 2개의 구역들(104, 106)을 통해 수 회 연속적으로 순환하도록 구성됨으로써, 입자들은 사전-반응 가열 구역(104)을 통과하는 동안 여러 차례 수소를 제거한다. 일부 실시예들에서, 입자들은 반응기로부터 나오기 전에 2개의 구역들(104, 106)을 통해, 평균, 적어도 50회 순환한다. 이렇게 하여, 수소 가스는 증착된 실리콘의 부가적인 층들 아래에 갇히기 전에 재순환하는 입자들의 표면으로부터 연속적으로 제거된다.

도 8은 수소 제거 구역(800)이 사전-반응 가열 구역(104)과 뚜렷이 구별되고 수소 제거 가스 포트(802)를 통해 구역(800) 속으로 도입되는 실리콘이 없는 수소 제거 가스의 별개의 유동에 의해 유동화되는 실시예를 예시한다. 본 실시예에서, 가스 제어기는 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 그룹으로서 입자들을 전달하는 가스의 펄스들을 부가하도록 구성된다. 예를 들어, 가스는 입자들을 사전-반응 가열 구역(104)으로 이동시키기 위하여 반응 구역(106)과 수소 제거 구역(800)으로 동시에 인가될 수 있다. 대안적으로, 가스는 수소 제거 구역(800) 속으로 입자들을 이동시키기 위하여 반응 구역(106)과 사전-반응 가열 구역(104)으로 동시에 인가된다.

본 발명의 실시예들의 전술한 설명은 예시와 설명의 목적들을 위해 나타내었다. 본 명세서의 각각 및 모든 페이지, 및 그러나, 그 안에서 특징화되고, 식별되고, 참조부호가 부여된, 모든 내용들은, 본 출원의 형태 또는 배치와 무관하게, 모든 목적들을 위해 본 출원의 실질적인 일부로서 간주되어야 한다. 본 출원은 완전한 것으로는 의도되지 않고 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하는 것은 아니다. 많은 변경들과 변형들이 본 개시의 관점에서 가능하다.

본 출원은 제한된 수의 형태들로 도시되었지만, 본 발명의 범주는 이들 형태들로만 한정되지는 않지만, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 한 다양한 변화들과 개조들을 받아들일 수 있다. 본 명세서에 제시된 개시 내용은 본 발명의 범주 내에 속하는 특징들의 모든 가능한 조합들을 분명하게 개시하는 것은 아니다. 다양한 실시예들에 관해서 본 명세서에 개시된 특징들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 자기 모순적이지 않는 임의의 조합으로 일반적으로 상호변경되고 조합될 수 있다. 특히, 종속항들은 논리적으로 서로 양립할 수 없는 것이 아닌 한, 아래의 종속항들에서 제시된 한정사항들은 본 개시의 범주를 벗어나지 않는 한 그들의 대응하는 독립항들과 임의의 수와 임의의 순서로 결합될 수 있다.

100...반응 챔버
102...수직 분리기
104...사전-반응 가열 구역
106...반응 구역
108...히터
112...사전-반응 가스 포트
114...반응 가스 포트
116...배기 포트

Claims

반응기 내부에서 사전-반응 가열 구역, 반응 구역, 및 수소 제거 구역을 생성하는 적어도 하나의 수직 분리기를 가진, 내부적으로 재순환하는 유동상 반응기를 제공하는 단계로서, 상기 구역들은 서로 입자 연통되어 있고;
폴리실리콘 입자들을 상기 반응기 속으로 도입시키는 단계;
사전-반응 유동화 가스를 상기 사전-반응 가열 구역 속으로, 적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 반응 가스를 상기 반응 구역 속으로, 및 수소 제거 가스를 상기 수소 제거 구역 속으로 도입시키는 단계로서, 상기 가스들의 각각은 상기 폴리실리콘 입자들을 위해 최소 유동화 속도와 적어도 동일한 속도로 도입되고;
상기 폴리실리콘 입자들이 상기 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 상기 반응 구역을 통해 하방으로, 그리고 상기 수소 제거 구역을 통해 순환되게 하기 위하여 상기 가스들의 속도들을 제어하는 단계를 포함하고;
상기 폴리실리콘 입자들이 상기 반응 가스를 위한 최소 반응 온도를 초과하는 반응 온도로 상기 사전-반응 가열 구역 내에서 가열되고;
실리콘이 상기 반응 가스로부터 상기 가열 구역 내의 상기 폴리실리콘 입자들 상에 증착되고; 및
상기 폴리실리콘 입자들이 상기 수소 제거 구역 내에서 상기 폴리실리콘 입자들로부터 수소 가스를 제거하는데 충분한 온도로 가열되고,
상기 순환은 상기 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 전환되게 하고,
상기 반응기로부터 상기 실리콘 제품을 제거하는, 폴리실리콘 제조 방법.
청구항 1에서,
상기 폴리실리콘 입자들은 상기 구역들 사이에서 연속적으로 순환하는, 방법.
청구항 1에서,
상기 폴리실리콘 입자들의 질량이 상기 반응 가스에 의해 실리콘의 그 위의 증착에 기인하여 증가할 때 상기 가스들의 속도들이 증가하는, 방법.
청구항 1에서,
상기 구역들 사이에서 상기 폴리실리콘 입자들의 이동을 제어하기 위하여 상기 구역들 속으로 도입되는 상기 가스들의 속도들을 변화시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 4에서,
상기 폴리실리콘 입자들은 상기 구역들 사이에서 펄스로 순환하는, 방법.
청구항 1에서,
상기 수소 제거 구역은 상기 사전-반응 가열 구역과 구별되는, 방법.
청구항 1에서,
상기 사전-반응 가열 구역은 수소 제거 구역이고, 상기 사전-반응 유동화 가스는 수소 제거 가스이고, 상기 폴리실리콘 입자들이 상기 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 상기 반응 구역을 통해 하방으로, 그리고, 상기 사전-반응 가열 구역을 통해 다시 상방으로 순환할 때 상기 폴리실리콘 입자들로부터 수소 가스를 제거하기에 충분한 온도로 상기 폴리실리콘 입자들이 상기 사전-반응 가열 구역 내에서 가열되는, 방법.
청구항 1에서,
상기 사전-반응 가열 구역이 상기 반응 구역을 둘러싸는, 방법.
청구항 1에서,
상기 수직 분리기는 원통형인, 방법.
청구항 1에서,
상기 실리콘-함유 반응 가스는 실란(SiH₄) 가스인, 방법.
청구항 10에서,
상기 실리콘-함유 반응 가스는 실란과 수소의 혼합물인, 방법.
청구항 1에서,
상기 사전-반응 유동화 가스, 상기 실리콘-함유 반응 가스, 및 상기 수소 제거 유동화 가스의 적어도 하나는 수소 가스를 포함하는, 방법.
청구항 1에서,
상기 폴리실리콘 입자들을 상기 반응 구역 내에서 요구되는 반응 온도로 냉각시키기 위해 상기 실리콘-함유 반응 가스의 온도를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 1에서,
상기 분리기는 진공 공간 및 0.5 W/(m-K) 미만의 열전도도를 가진 열적으로 절연재의 적어도 하나를 포함하는, 방법.
반응기 내부에서 사전-반응 가열 구역, 반응 구역, 수소 제거 구역을 생성하는 적어도 하나의 수직 분리기로서, 상기 구역들은 서로 입자 연통되어 있고;
상기 반응기 속으로 폴리실리콘 입자들을 도입시키기 위한 폴리실리콘 입자 입구;
상기 폴리실리콘 입자들을 상기 사전-반응 가열 구역 내에서 반응 온도로 가열하기 위한 사전-반응 히터;
상기 폴리실리콘을 상기 수소 제거 구역 내에서 수소 제거 온도로 가열시키기 위한 수소 제거 히터;
사전-반응 유동화 가스를 상기 사전-반응 가열 구역 속으로 도입시키기 위한 사전-반응 가스 입구;
적어도 하나의 실리콘-함유 시약을 포함하는 반응 가스를 상기 반응 구역 속으로 도입시키기 위한 반응 가스 입구;
소소 제거 유동화 가스를 상기 수소 제거 구역 속으로 도입시키기 위한 수소 제거 가스 입구;
적어도 하나의 가스 출구;
실리콘 제품 출구;
상기 사전-반응 히터와 수소 제거 히터에 의해 인가되는 열을 제어하는 히터 제어 시스템; 및
가스들이 그들의 대응하는 구역들 속으로 도입되는 속도들을 제어하고, 상기 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 전환할 때까지 상기 폴리실리콘 입자들이 상기 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 상기 반응 구역을 통해 하방으로, 및 상기 수소 제거 구역을 통해 순환하게 구성되어 있는 가스 제어 시스템을 구비하는, 내부적으로 재순환하는 유동상 반응기.
청구항 15에서,
상기 가스 제어 시스템은 상기 구역들 사이에서 연적으로 상기 폴리실리콘 입자들을 순환시키도록 구성된, 반응기.
청구항 15에서,
상기 가스 제어 시스템은 상기 반응 가스에 의해 실리콘의 그 위에 증착때문에 상기 폴리실리콘 입자들의 질량이 증가할 때 상기 가스들의 속도들이 증가하도록 구성된, 반응기.
청구항 15에서,
상기 가스 제어 시스템은 상기 구역들 사이에서 상기 폴리실리콘 입자들의 이동을 제어하기 위하여, 가스들이 상기 구역들 속으로 도입되는 속도들을 변화시키도록 구성된, 반응기.
청구항 18에서,
상기 가스 제어 시스템은 상기 폴리실리콘 입자들을 상기 구역들 사이에 펄스로 순환시키도록 구성된, 반응기.
청구항 15에서,
상기 수소 제거 구역은 상기 사전-반응 가열 구역으로부터 분리된, 반응기.
청구항 15에서,
상기 사전-반응 가열 구역은 소소 제거 구역이고, 상기 사전-반응 히터는 소소 제거 히터이고, 상기 사전-반응 유동화 가스는 수소 제거 가스이고, 상기 가스 제어 시스템은 상기 폴리실리콘 입자들이 실리콘 제품으로 전환될 때까지 상기 폴리실리콘 입자들이 상기 사전-반응 가열 구역을 통해 상방으로, 상기 가열 구역을 통해 하방으로, 및 상기 수소 제거 구역을 통해 다시 상방으로 순환되도록 구성된, 반응기.
청구항 21에서,
상기 사전-반응 가열 구역이 상기 반응 구역을 둘러싸는, 반응기.
청구항 22에서,
상기 수직 분리기는 원통형인, 반응기.
청구항 15에서,
상기 분리기는 진공 공간 및 0.5 W/(m-k) 미만의 열전도도를 가진 열적으로 절연재의 적어도 하나를 포함하는, 반응기.