KR960014593B1 - Method for deposition of high purity silicon on silicon particles from silicon source gases in fluidized bed reactor - Google Patents

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KR960014593B1
KR960014593B1 KR1019940008152A KR19940008152A KR960014593B1 KR 960014593 B1 KR960014593 B1 KR 960014593B1 KR 1019940008152 A KR1019940008152 A KR 1019940008152A KR 19940008152 A KR19940008152 A KR 19940008152A KR 960014593 B1 KR960014593 B1 KR 960014593B1
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김희영
송영목
전종열
권대혁
이강모
이재송
박동순
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재단법인 한국화학연구소
강박광
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Abstract

In the method of manufacturing granular-type polycrystal silicone using fluidized-bed reactor, the silicone containing gas is injected in the reaction region of the reactor and the silicone elements are flowed by carrier gas in the reactor, and the silicone elements are heated by microwave in the heating region of the reactor. The silicone elements in the reaction region and the silicone elements in the heating region, are mixed together, and the carrier gas is controlled so as to prevent the returning gas from the reaction region to the heating region.

Description

초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 입상 다결정 실리콘의 제조 방법Method for producing high purity granular polycrystalline silicon by fluidized bed heating method by microwave

제1도는 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 입상 다결정 실리콘 제조에 대한 장치의 한 양태를 나타낸 것이다.FIG. 1 shows one embodiment of an apparatus for the preparation of high purity granular polycrystalline silicon by a fluidized bed heating method by microwaves.

제2도는 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 이상 다결성 실리콘 제조에 대한 장치의 다른 실시예의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of another embodiment of a device for the production of high purity or higher polysilicon by the fluidized bed heating method by microwaves.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 석영반응기 2 : 초단파가열로1: quartz reactor 2: microwave heating furnace

3 : 상부확장영역 4 : 가스차단판3: upper extension area 4: gas barrier plate

5 : 실리콘종입자 8 : 캐리어가스5: silicon seed particle 8: carrier gas

9 : 반응가스 10 : 가열영역9: reaction gas 10: heating zone

11 : 반응영역 13 : 분리수단11 Reaction zone 13 Separation means

14,15 : 가스분배수단 1617 : 가스공급수단14,15: gas distribution means 1617: gas supply means

18,19 : 챔버 20 : 제품유출수단18,19: chamber 20: product outlet

23 : 초단파발생기 24 : 도파관23: microwave generator 24: waveguide

25 : 초단파 27 : 단열재25: microwave 27: insulation

28 : 유출혼합가스 29 : 가스유출관28: outflow mixed gas 29: gas outlet pipe

30 : 종입자 공급수단 31 : 적외선온도계30: seed particle supply means 31: infrared thermometer

33,34 : 가스킷 36 : 입상실리콘 제품33,34: Gasket 36: Granular Silicon Products

이 특허는 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 다결정 실리콘의 제조방법에 관한 것이다. 특히 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학 증기 증착) 유동층 반응기에서 실리콘 원소를 함유하는 반응가스의 열분해 또는 수소 환원 반응에 의해 실리콘을 석출함에 있어서 초단파의 개선된 가열 방법으로 고순도 다결정 실리콘을 제조하는 방법에 관한 것이다.This patent relates to a method for producing high purity polycrystalline silicon by a fluidized bed heating method by microwaves. In particular, a method for producing high-purity polycrystalline silicon by an improved heating method of microwaves in the precipitation of silicon by pyrolysis or hydrogen reduction of a reaction gas containing a silicon element in a CVD (chemical vapor deposition) fluidized bed reactor will be.

반도체 및 태양전지의 원료로 사용하는 고순도 다결정 실리콘은 실리콘 원소를 함유하는 반응가스의 열분해 또는 수소환원반응에 의한 CVD 공정으로 생산되어 진다. 세계적으로 고순도 다결정 실리콘의 상업 생산은 지멘스(Siemens)반응기에서 이루어지고 있다. 이 반응기에는 내부에 전기 저항에 의해 가열되는 종자봉(Slim rod)이 설치되며, 이 가열된 종자봉 표면에 수소와 반응가스의 혼합 가스를 접촉시켜 실리콘을 석출시킨다. 이 반응기에 의한 고정영역은 회분식으로 생상성이 낮고 전력원단위가 높은 문제가 있었다.High-purity polycrystalline silicon, which is used as a raw material for semiconductors and solar cells, is produced by a CVD process by pyrolysis or hydrogen reduction of a reaction gas containing a silicon element. Globally, commercial production of high-purity polycrystalline silicon is in Siemens reactors. The reactor is equipped with a seed rod (Slim rod) is heated by the electrical resistance inside, the silicon is precipitated by contacting the mixed gas of hydrogen and the reaction gas on the heated seed rod surface. The fixed region by this reactor had a problem of low productivity and high power source unit by batch.

최근에 고순도 다결정 실리콘의 생산에 대해 새로운 방법으로 유동층 CVD 반응기를 사용하려는 시도가 있어 왔다. 유동층 반응기는 유동하는 많은 실리콘 입자들이 실리콘 원소를 함유하는 반응가스가 접촉할 수 있는 많은 표면적을 제공할 뿐만 아니라 경제성 있는 연속 조업의 제공도 가능하여 많은 각광을 방았다. 기존의 지멘스 반응기에 의해 생산되는 봉상 형태의 제품을 후속 공정인 단결정 제조에 사용하기 위해서는 괴상으로 파쇄하여 사용하여야 하는 문제점이 있었다. 그러나 유동층 반응기에서 생산되는 고순도 다결정 실리콘은 거의 구형에 가까운 입상(입자 형태)제품으로 생산되므로 후속 공정인 다결정 성장 과정에 연속 정량 공급을 가능하게 한다. 이 결과 단결정 성장 공정의 연속화가 가능함으로 공정의 투자비 절감만 아니라 생산성이 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.Recently, there have been attempts to use fluidized bed CVD reactors as a new method for the production of high purity polycrystalline silicon. Fluidized bed reactors have attracted a lot of attention because many silicon particles flowing not only provide a large surface area to which a reaction gas containing silicon element can contact, but also provide economical continuous operation. In order to use the rod-shaped product produced by the existing Siemens reactor in the production of a single crystal, which is a subsequent process, there is a problem in that it needs to be broken into blocks. However, the high-purity polycrystalline silicon produced in the fluidized bed reactor is produced as a nearly spherical granular (particulate form) product, which allows continuous quantitative supply to a subsequent polycrystalline growth process. As a result, the sequential growth of the single crystal growth process is possible, which not only reduces the investment cost but also greatly improves the productivity.

유동층 반응기의 사용에는 많은 장점도 있지만 그 대신 문제점도 많다. 특히, 유동층 반응기의 고온 가열이 문제가 된다. 일반적으로 알려진 유동층 반응기의 가열 방법으로는 저항식 가열기 등에 의한 외부 가열 방식이 있다(USP 4 207 360, 4 748 052). 이들의 경우 반응기 벽면이 반응영역의 실리콘 입자보다 뜨거운 것을 피할 수 없다. 따라서 유동층 CVD 반응기 외벽면에 저항 가열을 사용할 경우 반응기 내벽 면에의 실리콘 석출 속도가 증대되되고, 석출된 실리콘으로 인하여 벽면으로부터 유동중인 실리콘 입자로의 열전달이 불량하게 된다. 또한 반응기의 설계 및 재질의 선정이 어렵게 된다. 이같은 가열 방법으로는 조업을 주기적으로 중단하여 반응기 내벽면에 석출된 실리콘을 제거하거나 반응기 자체를 교체하여야 하므로 연속적으로 조업이 될 수 없고 비효율적이다. 그리고 고순도 다결정 실리콘 생산에 대하여 권장할 만한 재질인 석영반응기를 사용할 경우 반응기 내벽면에 석출된 실리콘과 반응기 재질과의 열팽창 차로 인한 열충격이 일어난다. 그리고 석출된 실리콘으로 인하여 반응기의 냉각시 석영반응기가 파쇄되거나 쉽게 부스러지는 현상이 발생된다.There are many advantages to the use of fluidized bed reactors, but there are also many problems instead. In particular, high temperature heating of the fluidized bed reactor is a problem. Commonly known methods for heating fluidized bed reactors include external heating using resistance heaters (USP 4 207 360, 4 748 052). In these cases, it is inevitable that the reactor wall is hotter than the silicon particles in the reaction zone. Therefore, when resistive heating is used on the outer wall of the fluidized bed CVD reactor, the deposition rate of silicon on the inner wall of the reactor is increased, and heat transfer from the wall to the flowing silicon particles is poor due to the deposited silicon. In addition, the design of the reactor and the selection of materials becomes difficult. In this heating method, the operation must be interrupted periodically to remove silicon deposited on the inner wall of the reactor or to replace the reactor itself, and thus it cannot be operated continuously and is inefficient. And when using a quartz reactor, which is the recommended material for the production of high-purity polycrystalline silicon, thermal shock occurs due to the difference in thermal expansion between the silicon deposited on the inner wall of the reactor and the reactor material. And due to the precipitated silicon, the quartz reactor is crushed or easily broken when cooling the reactor.

이것을 방지하기 위하여 그라파이트(graphite) 반응기의 사용이 제안되는데(US Patent 4,092,44), 이 경우 그파라이트로 제작된 반응기 내벽면에 실리콘을 석출시켜 사용하였다. 그라파이트는 석출된 실리콘과 열팽창 차가 비슷하므로 반응기의 사용 시간을 늘리는데 효과적이다. 그러나 이와 같은 반응기로부터 샌상되어진 실리콘 제품은 그라파이트의 주성분인 탄소의 오염이 발생하는 문제가 일어난다. 더욱이 반응기 내벽면에 두터운 실리콘 석출은 주기적으로 조업을 중단하게 한다. 그러므로, 유동층 반응기를 이용한 입상 다결성 실리콘의 제조를 위해서는 종래의 벽면 가열과는 다른 효과적인 가열 방법이 요구된다.In order to prevent this, the use of a graphite (graphite) reactor is proposed (US Patent 4,092,44). In this case, silicon was deposited on the inner wall of the reactor made of gparite. Graphite has similar thermal expansion difference to precipitated silicon, which is effective for increasing the use time of the reactor. However, silicon products sanded up from such a reactor have a problem of contamination of carbon which is a main component of graphite. Moreover, thick silicon precipitation on the inner wall of the reactor causes periodic shutdowns. Therefore, the production of granular polysilicon using a fluidized bed reactor requires an effective heating method other than conventional wall heating.

이러한 요구로는 전자기파의 일종인 초단파(Microwave)에 의한 유동층 실리콘 입자를 가열하는 방법이 제안되었다.(특허 공보 제 88-618호) 여기서 초단파라 함은 전기 스펙트럼에 주파수 범위가 300MHz-300GHz, 파장으로는 1m-1mm 사이의 전자기파를 통칭하는데 주파수가 915MHz 또는 2,450MHz인 초단파가 보통 많이 사용된다. 실리콘은 초단파를 흡수하여 쉽게 가열되는 물질중 한가지 이므로 실리콘 입자의 유동층 가열에 초단파에 의한 가열이 효과적으로 이용될 수 있다. 이 가열 방법은 반응 온도 범위내에서 초단파는 석영반응기를 투과하기 때문에 반응기 내부의 실리콘 입자만 가열하고 실리콘 입자보다도 반응기 벽면의 온도가 낮게 유지되어 반응기 벽면으로부터의 불순물 오염과 반응기 내벽 면에서의 실리콘 석출 현상을 최소화하는 장점을 가지고 있다. 그러나 반응기 내벽면은 계속 뜨거운 실리콘 입자와 접촉하기 때문에 반응기 내벽면 온도를 실리콘 석출 현상이 근본적으로 방지되는 반응가스의 초기 분해 온도 이하로 유지하기 어렵다. 이 결과 반응기 내벽면에서의 실리콘 석출을 완전히 피할 수 없다. 초단파가 공급되는 반응기내벽면에 실리콘 석출이 일어난다면 석출된 실리콘층이 초단파를 대부분 흡수하여 가열될 것이다. 실리콘은 온도가 증가할 수록 초단파를 더욱더 흡수하여 가열되기 벽면에 석출된 실리콘층에서 급격한 가열이 일어나며, 일부 녹는 현상이 생길 것이다. 이 용융부분에 유동중인 실리콘 입자가 부착하게 되면 이 부착 입자에 초단파의 흡수가 동시에 일어나 실리콘 입자의표면이 용융되며 다시 새로운 입자가 붙는 신터링(sintering)현상이 반복하여 일어나게 될 것이다. 그리고 결국에는 구부적으로 반응기 벽면과 실리콘 입자가 녹아 내리는 사고가 발생할 것이다. 이런 경우에는 초단파 가열 방법위 장점이 사라질 것이다. 상기 종래의 초단파 가열 방법에서는 이들 문제를 해결하기 위하여 반응영역에 초단파 투사의 방해없이 반응기의 외벽면을 냉매로 냉각하는 것을 기술하였다.For this purpose, a method of heating fluidized bed silicon particles by microwaves, which is a kind of electromagnetic waves, has been proposed (Patent Publication No. 88-618). Here, the ultrashort waves have a frequency range of 300 MHz to 300 GHz in the electrical spectrum. In general, microwaves with a frequency of 915 MHz or 2,450 MHz are commonly used. Since silicon is one of materials that absorb microwaves and is easily heated, heating by microwaves may be effectively used for fluid bed heating of silicon particles. In this heating method, since the microwaves pass through the quartz reactor within the reaction temperature range, only the silicon particles inside the reactor are heated, and the temperature of the reactor wall is kept lower than that of the silicon particles, so that impurity contamination from the reactor wall and silicon precipitation on the reactor inner wall are maintained. It has the advantage of minimizing the phenomenon. However, since the inner wall surface of the reactor keeps in contact with the hot silicon particles, it is difficult to maintain the inner wall temperature of the reactor below the initial decomposition temperature of the reaction gas in which the precipitation of silicon is fundamentally prevented. As a result, precipitation of silicon on the inner wall of the reactor cannot be completely avoided. If silicon precipitates on the inner wall of the reactor to which microwave is supplied, the deposited silicon layer will absorb most of the microwave and be heated. As the temperature increases, the silicon absorbs more and more microwaves, causing rapid heating in the silicon layer deposited on the wall to be heated, and some melting will occur. If the flowing silicon particles adhere to the molten portion, the absorption of microwaves will occur at the same time, and the surface of the silicon particles will melt, and the sintering phenomenon of the new particles will be repeated. Eventually, there will be an accident that the reactor wall and the silicon particles melt down bent. In this case, the advantages over the microwave heating method will disappear. In the conventional microwave heating method, in order to solve these problems, cooling of the outer wall of the reactor with a refrigerant without disturbing microwave projection in the reaction region has been described.

또한 CVD 반응 온도가 700℃인 모노실란(Monosilane)은 반응가스로 사용할 경우, 벽면 냉각의 중요성을 기술하였다. 모노실란의 열분해의 경우에는 냉각된 반응기 벽보다 뜨거운 실리콘 입자에 선택적으로 실리콘 석출이 일어나 내벽면에서의 실리콘 석출을 줄일 수는 있다. 한편 반응가스로서 삼염화 실란을 사용하는 경우에는 900℃ 이상의 반응 온도에서 수소환원반응 및 열분해반응에 의해 유동중인 실리콘 입자 표면뿐만 아니라 반응가스가 접촉하는 반응기 내벽면에도 실리콘 석출이 동시에 일어난다. 반응기 벽면에서 실리콘 석출 현상을 방지하기 위해서는 실리콘 석출이 방지되는 온도인 400℃ 이하로 유지되어야 한다. 이 결과 반응기 외벽면의 지나친 냉각으로 열손실이 방대하고 가열에 필요한 초단파의 에너지가 증가하게 되어 비효율적이다. 따라서 이러한 현상을 개선하기 위한 하나의 방법으로 반응기 내벽면에의 실리콘 증착을 근본적으로 해결하고 열손실을 줄일 수 있는 방법을 제시하기에 이르렀다.Monosilane with a CVD reaction temperature of 700 ° C also described the importance of wall cooling when used as a reaction gas. In the case of pyrolysis of monosilane, the precipitation of silicon selectively occurs in the silicon particles that are hotter than the cooled reactor wall, thereby reducing the precipitation of silicon on the inner wall surface. On the other hand, when trichlorosilane is used as the reaction gas, silicon precipitation occurs simultaneously not only on the surface of silicon particles in flow by hydrogen reduction or pyrolysis at a reaction temperature of 900 ° C. or higher but also on the inner wall surface of the reactor in which the reaction gas contacts. In order to prevent the precipitation of silicon on the reactor wall, it should be kept below 400 ° C., which is the temperature at which silicon precipitation is prevented. As a result, excessive cooling of the outer wall of the reactor causes huge heat loss and increases the energy of microwaves required for heating, which is inefficient. Therefore, as a way to improve this phenomenon, it has been proposed to fundamentally solve the silicon deposition on the inner wall of the reactor and to reduce the heat loss.

새로이 제안된 특허는 입상 다결정 실리콘의 제조에 대한 유도층 반응기에 있어서 초단파의 가열의 개선된 방법과 관계가 있다. 이것은 유동층을 반응영역과 가열영역으로 분리수단에 의해 분리함으로서 이룰 수 있다. 분리수단은 양 영역의 유동화에 의해 실리콘 입자의 자유로운 상호 교환이 이루어진다. 가열영역에 있는 실리콘 입자는 독립된 가스 분배 수단에 의해 공급되어지는 반응가스가 포함되지 않는 캐리어가스에 의해 유동화 하며, 가열영역에 공급되는 초단파에 의해 가열된다. 반면에 반응영역에 있는 실리콘 입자는 독립된 가스 분배 수단에 의해 공급되는 가스와 실리콘 원소를 함유하는 반응가스의 혼합 가스에 의해 유동화한다. 두영역 사이에서의 실리콘 입자들의 접촉은 자연히 형성되는데, 이는 가열영역의 상부에서 일어난다. 이곳에서 가열영역에서 가열된 실리콘 입자와 반응영역의 실리콘 입자들은 서로 격렬하게 섞이면서 효과적으로 열전달이 일어나, 두영역 상이의 온도차는 거의 미미하다. 반응영역의 반응 온도는 두 영역 사이에 있는 입자들의 상호 접촉과 복사전열에 의해 유지되어 진다. 따라서 반응영역의 가열을 위해 초단파의 반응영역으로의 직접적인 투사가 요구되지 않는다. 가열영역에 공급되는 캐리어가스의 유속은 가열영역에서 초단파에 의해 가열된 실리콘 입자의 충분한 유동화와 반응영역으로부터 반응가스의 역류를 근본적으로 차단할 수 있는 범위내에서 조절되어진다. 이 결과 가열영역으로 초단파가 공급되는 공급구 내벽면에서의 실리콘 석출 현상을 근본적으로 피할 수 있다.The newly proposed patent relates to an improved method of microwave heating in an induction bed reactor for the preparation of granular polycrystalline silicon. This can be achieved by separating the fluidized bed by means of separation means into the reaction zone and the heating zone. Separation means free exchange of silicon particles by fluidization of both regions. The silicon particles in the heating zone are fluidized by a carrier gas which does not contain the reaction gas supplied by the independent gas distribution means, and is heated by the microwaves supplied to the heating zone. On the other hand, the silicon particles in the reaction zone are fluidized by a mixed gas of a gas supplied by an independent gas distribution means and a reaction gas containing elemental silicon. The contact of the silicon particles between the two zones naturally occurs, which occurs at the top of the heating zone. Here, the silicon particles heated in the heating zone and the silicon particles in the reaction zone are mixed vigorously with each other, and heat transfer takes place effectively, so that the temperature difference between the two zones is almost insignificant. The reaction temperature in the reaction zone is maintained by the mutual contact of the particles between the two zones and the radiant heat transfer. Therefore, no direct projection of microwaves into the reaction zone is required for heating the reaction zone. The flow rate of the carrier gas supplied to the heating zone is controlled in such a range that sufficient fluidization of the silicon particles heated by microwaves in the heating zone and essentially blocking back flow of the reaction gas from the reaction zone. As a result, it is possible to fundamentally avoid the phenomenon of silicon deposition on the inner wall surface of the supply port through which microwaves are supplied to the heating zone.

그리고 가열영역을 에워싸는 반응기의 외벽면을 냉매의 공급으로 냉각시키지 않아 반응 온도 유지에 필요한 초단파 양을 줄일 수 있다. 이같은 에너지 절감으로 가열영역에 공급되는 초단파 에너지의 단위 면적당 에너지 밀도를 감소시킬 수 있어 조업의 안정성을 향상시켰고 초단파에 의해 공급된 열량을 반응영역으로 효과적으로 전달시켜 CVD 반응에 효과적으로 사용될 수 있게 하였다. 또한 반응기 외벽면의 열량 손실을 최소화하기 위하여 보온재로 보온할 수도 있게 하였는데 이 경우 보온재는 초단당 에너지의 흡수율이 적은 단열 물질(일반적으로 실리콘계통)을 사용하면 가능하다.In addition, since the outer wall of the reactor surrounding the heating zone is not cooled by the supply of the refrigerant, the amount of microwaves required to maintain the reaction temperature can be reduced. This energy saving can reduce the energy density per unit area of microwave energy supplied to the heating zone, thereby improving operation stability and effectively transferring the heat supplied by the microwave to the reaction zone so that it can be effectively used for the CVD reaction. In addition, in order to minimize the heat loss of the outer wall surface of the reactor it was also possible to insulate with a heat insulating material, in this case, it is possible to use a heat insulating material (usually silicon based) with a low absorption rate of energy per second.

제1도는 제안된 특허에 따른 유동층 반응기의 개선된 가열 방법에 의해 고순도 입상 다결정 실리콘 제조에 대한 장치의 한 양태를 나타낸 것이다. 석영반응기(1)는 초단파를 손실없이 반사할 수 있는 스텐레스스틸과 가은 금속으로 만들어진 초단파 가열로(2)의 내부에 설치된다. 반응기의 상부는 금속으로 만들어진 상부확자영역(3)이 설치되고, 유동화로 인한 석영반응기(1)의 진동을 감소하기 위하여 그라파이트 종류의 가스킷(33)으로 가스차단판(4)에 의해 고정도어 진다. CVD 반응에 의한 실리콘 석출 면적을 제공하기 위하여 실리콘 종입자(5)가 종입자 공급수단(30)에 의해 석영반응기(1)에 공급된다. 불활성가스 혹은 환원성가스로 충진된 호퍼는 종입자 공급수단(30)과 연통된다. 실리콘종입자(5)는 종입자 공급수단(30)에 의해 공급되고, 반응기의 하부로 자중에 의해 떨어진다. CVD 반응식 석영반응기(1)내부의 유동층 형성에 필요한 실리콘 종입자(5)의 주입량은 실럼에 의해 미리 결정되어 진다. 석영반응기(1)의 하부 끝단은 가열영역 종류의 가스킷(34)에 의해 초단파 가열로(2)에 고정된다. 석영반응기(1)의 내부에 충진된 실리콘 충진층은, 실리콘, 석영 혹은 실리콘으로 라이닝된 물질로된 가스분배수단(14,15)에 의해 지지된다. 석영반응기(1)는 CVD 반응을 위하여 가열될때, 수평, 수직의 열팽창에도 견딜 수 있도록 그 양 끝단이 가열영역 종류의 가스킷(33),(34)에 의해 초단파 가열로(2)내에 고정되어 진다.1 shows one embodiment of an apparatus for the production of high purity granular polycrystalline silicon by an improved heating method of a fluidized bed reactor according to the proposed patent. The quartz reactor 1 is installed inside the microwave furnace 2 made of stainless steel and silver metal capable of reflecting microwaves without loss. The upper part of the reactor is provided with an upper expansion region 3 made of metal, and is fixed by the gas barrier plate 4 with a gasket 33 of graphite type to reduce vibration of the quartz reactor 1 due to fluidization. . Silicon seed particles 5 are supplied to the quartz reactor 1 by the seed particle supply means 30 in order to provide the silicon precipitation area by the CVD reaction. The hopper filled with inert gas or reducing gas is in communication with the seed particle supply means 30. The silicon seed particles 5 are supplied by the seed particle supply means 30, and fall down by their own weight to the bottom of the reactor. The injection amount of the silicon seed particles 5 required for forming the fluidized bed inside the CVD reaction quartz reactor 1 is predetermined by silum. The lower end of the quartz reactor 1 is fixed to the microwave furnace 2 by means of a gasket 34 of a heating zone type. The silicon filling layer filled in the quartz reactor 1 is supported by gas distribution means 14 and 15 made of silicon, quartz or a material lined with silicon. When the quartz reactor 1 is heated for the CVD reaction, both ends thereof are fixed in the microwave furnace 2 by the gaskets 33 and 34 of the heating zone type so as to withstand horizontal and vertical thermal expansion. .

석영반응기(1)의 실리콘 충진층을 가열영역(10)과 반응영역(11)로 분리수단(13)에 의해 분리된다. 가열영역(11)의 실리콘 입자는 실리콘을 포함하는 반응가스가 포함되지 않는 환원성 가스 혹은 수소와 같은 캐리어가스(8)에 의해 유동화된다. 캐리어가스(8)는 스텐레스 스틸 혹은 실리콘 라이닝 물질과 같은 금속 재질로 된 챔버(18)에 의해 둘러싸여 있는 가수분배수단(14)과 가스공급수단(16)에 의해 공급된다. 가열영역(10)의 다른 한 측면에 있는 반응영역(11)의 실리콘 입자는 실리콘 원소를 포함하는 반응가스에 의해 유동화 한다. 석영반응기(1)에서는 실리콘 원소를 포함하는 반응가스의 농도를 조절하기 위하여, 반응가스(9)에 필요하다면 캐리어가스 혹은 환원성 가스를 부가할 수도 있다. 반응가스는 스텐렌스스틸 혹은 실리콘 라이닝물질과 같은 금속 재질로 된 챔버(19)에 의해 둘러싸여 있는 가스분배수단(15)과 가스공급수단(17)에 의해 공급된다. 반응가스(9)의 예열은 석영반응기(1)에 도입되기 전에 실리콘의 석출이 방지되는 온도이하로 제한된다. 가열영역(10)의 상부에서 캐리어가스(8)와 반응가스(9)는 서로 혼합 되며, 분리수단(13)의 상부 입자층은 혼합가스(35)에 의해 유동화된다. 그러므로 가열영역(10)에 포함되지 않은 실리콘 입자는 실리콘석출에 요구되는 반응영역(11)으로 활용된다.The silicon filling layer of the quartz reactor 1 is separated by the separating means 13 into the heating zone 10 and the reaction zone 11. The silicon particles in the heating zone 11 are fluidized by a reducing gas or a carrier gas 8 such as hydrogen, which does not contain a reaction gas containing silicon. The carrier gas 8 is supplied by the gas distribution means 16 and the water distribution means 14 surrounded by a chamber 18 made of metal such as stainless steel or silicon lining material. The silicon particles in the reaction zone 11 on the other side of the heating zone 10 are fluidized by a reaction gas containing a silicon element. In the quartz reactor 1, a carrier gas or a reducing gas may be added to the reaction gas 9, if necessary, in order to adjust the concentration of the reaction gas containing a silicon element. The reaction gas is supplied by the gas distribution means 15 and the gas supply means 17 surrounded by the chamber 19 made of metal such as stainless steel or silicon lining material. Preheating of the reaction gas 9 is limited to below the temperature at which the precipitation of silicon is prevented before it is introduced into the quartz reactor 1. In the upper portion of the heating zone 10, the carrier gas 8 and the reaction gas 9 are mixed with each other, and the upper particle layer of the separating means 13 is fluidized by the mixed gas 35. Therefore, the silicon particles not included in the heating zone 10 are utilized as the reaction zone 11 required for the precipitation of silicon.

초단파 발생기(23)는 전기를 초단파(25)로 변환한다. 상압적으로 유용한 초단파 발생기에 의해 펄스와 혹은 연속파의 모드로 정해진 주파수를 가지는 초단파가 발생된다. 발생된 초단파(25)는 초단파 가열로(2)에 연통된 도파관(24)을 통하여 전송되며, 가열영역(10)의 측면에 있는 석영반응기(1)의 벽면을 투과한다. 도파관(24)은 초단파의 전송에 효과적인 알루미늄, 구리와 같은 금속 또는 합금으로 만들어진다. 가열영역(10)은 도파관(24)의 출구 전면에 위치하며, 가열영역(10)내에서 유동하는 실리콘 입자는 가열영역(10)을 제외한 초단파 가열로(2)와 석영반응기(1)에 있는 다른 공간에 전자기장의 형성없이 침투되는 초단파(25)의 대부분을 흡수한다. 가열영역(10)에서 초단파(25)의 복사를 받는 실리콘 입자는 흡수된 초단파 에너지의 열변환으로 스스로 가열된다.The microwave generator 23 converts electricity into the microwave 25. Atmospherically useful microwave generators generate microwaves with a frequency determined in pulse or continuous wave mode. The generated microwave 25 is transmitted through the waveguide 24 communicated with the microwave heating furnace 2 and passes through the wall surface of the quartz reactor 1 on the side of the heating zone 10. Waveguide 24 is made of a metal or alloy, such as aluminum, copper, which is effective for microwave transmission. The heating zone 10 is located in front of the outlet of the waveguide 24, and the silicon particles flowing in the heating zone 10 are located in the microwave heating furnace 2 and the quartz reactor 1 except the heating zone 10. Absorbs most of the microwaves 25 that penetrate other spaces without formation of electromagnetic fields. In the heating zone 10, the silicon particles subjected to the radiation of the microwaves 25 are heated by themselves by thermal conversion of absorbed microwave energy.

유동화 상태인 가열영역(10) 상부와 반응영역(11) 사이에서는 실리콘 입자의 격렬한 혼합에 의해 가열영역(10)에서 생성된 많은 열을 순간적으로 반응영역(11)에 전달해 준다. 유동화 가스의 흐름은 두 영역 사이의 빠른 입자의 접촉에 대한 중요한 함수로서 제공된다. 캐리어가스(8)의 흐름은 가열영역에 있는 실리콘입자의 유동화 뿐만 아니라 가열영역(10)과 반응영역(11)의 빠른 접촉이 이루어지기에 충분한 유량으로 흐른다. 캐리어가스(8)는 석영반응기(1)에 도입되기 전에 정체기에서 정제되고, 예열기에서 200-400℃로 예열된다. 예열기 내부에서 오염 가능성과 에너지 효율을 고려하여 캐리어가스(8)의 예열은 반드시 반응 온도가지 요구되지 않는다. 반응가스(9)의 유속은 미리 실험에 의해 결정되어지며 반응 온도에서 반응영역(11)에 있는 실리콘 입자들의 유동화에 충분하다. 실리콘 원소 함유 액체는 반응기(1)에 도입되기 전에 증기화되고 반응가스(9)로 예열된다. 다른 한편으로 반응가스(9)는 수소와 같은 환원가스에 실리콘 원소 함유 액체가 일정 비율로 분무되어 가스/액체 혼합 상태로 공급될 수도 있다. 반응가스(9)의 예열은 가스 분해 수단(15)뿐만 아니라 가스 챔버(19) 그리고 가스 공급수단(17)의 내벽면에 실리콘의 석출을 방지하기 위하여 실리콘 원소 함유 가스의 초기 분해 온도 이하로 유지된다. 유동화하는 실리콘 입자와 접촉하는 반응가스(9)의 가스분배수단(15)이나 반응가스(9)가 초기 분해 온도 이상으로 가열이 되면, 가스 분배 수단(15),(17)에 실리콘이 석출되어 가스의 흐름을 막게 된다. 그러므로 반응가스(9)의 온도와 가스 분배수단(15)의 표면 온도는 반응가스의 초기 분해 온도 이하로 유지되어야 한다.Between the upper portion of the heating zone 10 and the reaction zone 11 in a fluidized state, a large amount of heat generated in the heating zone 10 is instantaneously transferred to the reaction zone 11 by virtuous mixing of silicon particles. The flow of fluidizing gas serves as an important function for the rapid particle contact between the two zones. The flow of the carrier gas 8 flows at a flow rate sufficient to allow rapid contact between the heating zone 10 and the reaction zone 11 as well as fluidization of the silicon particles in the heating zone. Carrier gas 8 is purified in a plateau before being introduced into quartz reactor 1 and preheated to 200-400 ° C. in a preheater. In consideration of the possibility of contamination and energy efficiency inside the preheater, preheating of the carrier gas 8 is not necessarily required for the reaction temperature. The flow rate of the reaction gas 9 is previously determined by experiment and is sufficient for the fluidization of the silicon particles in the reaction zone 11 at the reaction temperature. The silicon element-containing liquid is vaporized before being introduced into the reactor 1 and preheated with the reaction gas 9. On the other hand, the reaction gas 9 may be supplied in a gas / liquid mixed state by spraying a silicon element-containing liquid into a reducing gas such as hydrogen at a predetermined ratio. Preheating of the reaction gas 9 is maintained below the initial decomposition temperature of the silicon element-containing gas in order to prevent the deposition of silicon on the inner wall surfaces of the gas chamber 19 and the gas supply means 17 as well as the gas decomposition means 15. do. When the gas distribution means 15 or the reaction gas 9 of the reaction gas 9 in contact with the fluidized silicon particles is heated above the initial decomposition temperature, silicon is precipitated in the gas distribution means 15, 17. This blocks the flow of gas. Therefore, the temperature of the reaction gas 9 and the surface temperature of the gas distribution means 15 should be kept below the initial decomposition temperature of the reaction gas.

유동층 반응기에서는 상부로 갈수록 유동화가스가 가열되어 유동층의 상부가 하부보다 가스 흐름의 평균선속도와 유동화 정도가 크다. 실리콘 종입자(5) 크기보다 충분히 성장한 실리콘 입자는 유동층 하부로 가라앉는 성질이 있다. 그들은 제품유출수단(20)를 통하여 입상 실리콘 제품(36)으로 유출된다. 입상 실리콘의 연속 생산시, 종입자(5)의 유입 속도와 이상 실리콘 제품(36)의 유출 속도는 유동층의 조업 변수에 근거한 물질 수지 방정식에 따라 상호 연관을 가지고 결정되어 진다.In a fluidized bed reactor, the fluidized gas is heated toward the top, so that the upper portion of the fluidized bed has a higher average linear velocity and degree of fluidization than the lower portion. Silicon particles grown sufficiently than the size of the silicon seed particles 5 have a property to sink to the bottom of the fluidized bed. They flow out into the granular silicon product 36 through the product outlet means 20. In the continuous production of granular silicon, the inflow rate of the seed particles 5 and the outflow rate of the ideal silicon product 36 are determined in correlation with the mass balance equation based on the operating parameters of the fluidized bed.

캐리어가스(8)의 상승은 반응영역으로부터 가열영역으로 실리콘 원소를 포함하는 반응가스의 역류 현상을 방지하고, 가열영역(10)과 반응영역(11)사이의 빠른 입자의 접촉을 제공한다. 실리콘을 포함하는 반응가스가 가열영역으로 확산되는 것은 분리수단(13)에 의해 방지되어 진다. 캐리어가스(8)은 가스분배수단(14)으로부터 상승하며, 가스는 초단파로 가열된 실리콘 입자와 직접 접촉에 의해 온도가 상승하며 팽창되고, 가소화된다. 실리콘을 포함하는 반응가스가 가열영역(10)으로 역류하는 현상은 수결된 기술에 의해 쉽게 방지될 수 있다. 이 사실은 가열영역(10) 내부, 특히 초단파가 주입되는 반응기 내벽면에서 실리콘 석출이 방지됨을 의미한다. 이전 기술의 유동층 반응기에서는 초단파가 직벚 반응영역에 도입되므로 이런 능력을 가지지 못하였다. 반응기 내벽면에서의 실리콘 석출 현상은 반응영역에서 피할 수 없은 문제이다. 이전 기술에서는 반응기의 외벽면을 냉각 유체로 냉각하여, 초단파가 주입되는 반응기 벽에 일어나는 실리콘 석출 현상을 방지하였다.The rise of the carrier gas 8 prevents the backflow of the reaction gas containing silicon elements from the reaction zone to the heating zone, and provides rapid particle contact between the heating zone 10 and the reaction zone 11. The diffusion of the reaction gas containing silicon into the heating zone is prevented by the separating means 13. The carrier gas 8 rises from the gas distribution means 14, and the gas expands and plasticizes by raising the temperature by direct contact with the silicon particles heated by microwaves. The phenomenon in which the reaction gas containing silicon flows back into the heating region 10 can be easily prevented by the collected technique. This fact means that the precipitation of silicon is prevented inside the heating zone 10, especially in the reactor inner wall surface where microwaves are injected. In the fluidized bed reactor of the prior art, microwaves do not have this capability because they are introduced directly into the reaction zone. Precipitation of silicon on the inner wall of the reactor is an unavoidable problem in the reaction zone. In the previous technique, the outer wall of the reactor was cooled with a cooling fluid to prevent silicon precipitation from occurring on the reactor walls where microwaves were injected.

가열영역(10)의 상부에서 캐리어가스(8)는 반응가스(9)와 혼합되고, 이들 혼합 가스는 가열된 실리콘 입자와 접촉하여 CVD 반응이 수행된다. 실리콘 석출은 반응영역의 하부에서 주입되는 반응가스에 의해 일어나며, CVD 반응은 혼합 가스와 실리콘 입자의 온도가 하부보다 충분히 높은 상부에서 지배적으로 일어난다. CVD 반응의 화학적 평형상태는 삼염화 실란의 경우 90℃ 이상의 유동화 상태에서 충진층 높이의 수cm내에서 얻어지며, CVD 반응은 반응영역(11)의 상부에서 평형 상태에 거의 도달한다. 미반응가스, 부생가스 그리고 캐리어가스로된 유출혼합가스(26)는 상부확장영역(3)을 거쳐 가스유출관(29)을 통하여 유동층 반응기 밖으로 배출된다. 가스유출관(29)로 배출된 유출 혼합가스(28)는 회수되어 재 처리되고, 이 특허의 범위 아래에서 재 사용된다. 반응 온도에서 실리콘 석출에 요구되는 반응수율에 대한 반응영역의 최대 충진층 높이는 유출 혼합가스(28)의 화학 조성분석에 의해 이미 결정된다.At the top of the heating zone 10, the carrier gas 8 is mixed with the reaction gas 9, and these mixed gases are in contact with the heated silicon particles to perform the CVD reaction. Precipitation of silicon is caused by the reaction gas injected in the lower part of the reaction zone, and the CVD reaction is dominant in the upper part where the temperature of the mixed gas and the silicon particles is sufficiently higher than the lower part. The chemical equilibrium of the CVD reaction is obtained within several cm of the packed bed height in the fluidized state of 90 ° C. or higher for trichloride silane, and the CVD reaction almost reaches the equilibrium at the top of the reaction zone 11. Outflow mixed gas 26 of unreacted gas, by-product gas, and carrier gas is discharged out of the fluidized bed reactor through the gas outlet pipe 29 through the upper expansion region 3. The effluent mixed gas 28 discharged to the gas outlet pipe 29 is recovered and reprocessed and reused under the scope of this patent. The maximum packed bed height in the reaction zone relative to the reaction yield required for the precipitation of silicon at the reaction temperature is already determined by chemical composition analysis of the effluent mixed gas 28.

초단파의 투사에 의해 가열영역(10)에서 생성된 열은 CVD 반응에 필요한 열량, 유동화가스(8),(9)의 가열에 요하는 열량, 초단파 가열로(2)의 벽면을 통한 석영반응기(1)의 손실 열량, 확장영역(3)의 손실 열량을 충당한다. CVD 조업에서는 열량 손실이 에너지 축적을 위해 최소화되어야 한다. 제안된 특허의 환경하에서 석영반응기(1)의 벽면을 통한 열량 손실은 반응기 외벽면에 단열재(27)의 단열에 의해 점차적으로 감소되어진다. 낮은 열전도도의 다양한 무기 물질이 단열재로 유용하다. 초단파가 침투하는 가열영역(10) 주위의 단열 물질은 내부에서 초단파의 손실이 거의 없는 재질인 불투명 석영, 고순도 섬유상 실리카등과 같은 것으로 제한된다. 유동층 반응기 하부로의 열손실은 유동층 하부에서 주입되는 유동화가스(8),(9)에 의해 이미 상계되고 주입 가스의 예열에 요구되는 열의 이부로서 활용되어진다. 초단파 에너지의 량은 석영반응기(1)의 상부에 연통된 감지 수단인 적외선 온도계(31)에 의해 측정되는 반응영역(11)의 온도에 따라 조절된다.The heat generated in the heating zone 10 by the microwave projection includes the heat required for the CVD reaction, the heat required for heating the fluidized gases 8 and 9, and the quartz reactor through the wall of the microwave heating furnace 2 ( The amount of heat lost in 1) and the amount of heat lost in the extended region 3 are covered. In CVD operations, calorie loss must be minimized for energy accumulation. Under the proposed patent environment, the heat loss through the wall of the quartz reactor 1 is gradually reduced by the insulation of the heat insulator 27 on the outer wall of the reactor. Various inorganic materials with low thermal conductivity are useful as insulation materials. The heat insulating material around the heating zone 10 through which microwaves penetrate is limited to materials such as opaque quartz, high purity fibrous silica, and the like, which have almost no loss of microwaves therein. The heat loss to the bottom of the fluidized bed reactor is already offset by the fluidized gases 8 and 9 injected from the bottom of the fluidized bed and is utilized as the release of the heat required for preheating the injected gas. The amount of microwave energy is adjusted according to the temperature of the reaction zone 11 measured by the infrared thermometer 31 which is a sensing means communicated with the top of the quartz reactor 1.

제2도는 이 특허에 따른 유동층 반응기의 또 다른 양태로, 가열영역이 유동층 반응기의 하부 영역에 있는 환상 영역에 형성된다. 여기서는 제1도에서와 같은 동일 부호가 부여된다.2 is another embodiment of a fluidized bed reactor according to this patent, wherein a heating zone is formed in an annular zone in the lower zone of the fluidized bed reactor. The same reference numerals as in FIG. 1 are given here.

석영반응기(1)내부에 있는 실리콘 유동층 하부 영역에 실리콘, 석영 혹은 실리콘으로 라이닝되는 고순도 물질로 만들어진 분리수단(13)이 설치되고, 이를 경계로 가열영역(10)과 반응영역(11)의 두영역로 나누어진다. 반응가스(9)는 가스분배수단(15)에 의해 석영반응기(1)에 도입되고, 분리수단(13)을 통하여 상승한다. 분리수단(13)의 내부는 실리콘이 충진되어 유동화 할 수도 있으며 때로는 실리콘이 충진되지 않는 상태로 조업이 행하여진다. 환상 형태의 가열영역(10)은 분리수단(13) 주위에 형성된다. 캐리어가스(8)는 실리콘 원소가 포함된 반응가스(9)가 가열영역(10)으로 확산되는 것이 분리수단에 의해 방지되는 환상 영역을 따라 가스분배수단(14)을 통하여 주입된다. CVD 반응에 대한 반응영역(11)은 가열영역을 제외한 실리콘 유동층에 형성된다. 캐리어가스(8)와 반응가스(9)의 유입 속도는 전기의 양태에서 기술한 것과 같이 두 영역에서의 실리콘 입자들을 유동화 하기에 충분한 유량을 가진다.In the lower region of the silicon fluidized bed inside the quartz reactor 1, a separation means 13 made of silicon, quartz or a high-purity material lined with silicon is installed, and the two means of the heating zone 10 and the reaction zone 11 are bordered thereon. It is divided into areas. The reaction gas 9 is introduced into the quartz reactor 1 by the gas distribution means 15 and ascends through the separation means 13. The inside of the separating means 13 may be fluidized by filling with silicon, and sometimes the operation is performed without the filling of silicon. The annular heating zone 10 is formed around the separating means 13. The carrier gas 8 is injected through the gas distribution means 14 along the annular region where the reaction gas 9 containing silicon element is prevented from being diffused into the heating region 10 by the separating means. The reaction zone 11 for the CVD reaction is formed in the silicon fluidized bed except for the heating zone. The inflow rate of the carrier gas 8 and the reactant gas 9 has a flow rate sufficient to fluidize the silicon particles in the two regions as described in the aspect of electricity.

CVD 조업에 요구되는 열량은 가열영역으로부터 간접적으로 열이 전달되어 가열되는 반응영역으로 열량이 공급되며, 가열영역의 열량은 초단파의 가열에 의해 이루어진다. 가열영역(10)에 있는 실리콘 입자는 도파관(24a),(24b)과 도파관 전면에 있는 반응기 벽면을 통하여 침투되는 초단파에 의해 가열된다. 제안된 양태에서 두개의 분리된 초단파 발생기(23a),(23b)가 상용 전원에서 초단파(25a),(25b)로 변환하는데 사용되어진다. 또한 두개의 초단파 발생기의 사용 대신에 필요한 초단파가 한개의 고출력 발생기에 의해 발생되며, 발생된 초단파가 가열영역에서 분리수단에 의해 분리되어져 공급되어질 수도 있다.The amount of heat required for the CVD operation is supplied to the reaction zone where heat is indirectly transferred from the heating zone to the heating zone, and the heat of the heating zone is made by microwave heating. The silicon particles in the heating zone 10 are heated by microwaves penetrating through the waveguides 24a and 24b and the reactor wall in front of the waveguide. In the proposed embodiment, two separate microwave generators 23a, 23b are used to convert from a commercial power source to microwaves 25a, 25b. In addition, instead of using two microwave generators, the required microwaves are generated by one high power generator, and the generated microwaves may be supplied separately by a separating means in the heating zone.

가열영역(10)에서 가열되어 지는 실리콘 입자와 캐리어가스는 반응영역(11)에 있는 실리콘 입자와 반응가스와 분리수단(13)의 상단에서 격렬하게 접촉하며 원활하게 유동화한다. 입자들의 접촉은 유동화가스(8),(9)에 의해 형성되는 가스 버블(gas bubble)의 상승에 의하여 자연스럽게 이루어진다. 이들 접촉은 초단파에 의해 가열되는 가열영역의 열량이 반응영역으로 전달되는 간접 가열을 지배한다. 입자와 입자 사이의 복사전열은 고온 반응 시스템에서 열 전달은 지배한다. 반응영역(11)과 접촉하는 반응기 벽의 온도는 가열영역(10)에 있는 실리콘 입자보다 낮다. 더욱더, 유동화가스(8),(9)의 흐름이 환상 가열영역의 각각의 상부에서 접촉되는 하나, 혼합가스(35)에서 실리콘을 함유하는 반응가스의 농도는 반응기(1)의 내벽면 가까이가 낮다. 이것은 상당량의 캐리어가스(8)가 반응영역에서 반응가스와 접촉함에도 불구하고 내벽면을 따라 상승하기 때문이다. 그러므로 반응영역에서 일어나는 반응기 벽면에서의 실리콘 석출은 문제가 되지 않는다. 반면에 반응가스의 농도가 축방향으로 가장 높아, CVD 반응이 반응영역의 벽면보다 반응영역의 중심축 방향에 있는 실리콘 입자 표면에 지배적으로 일어난다. 성장된 입자, 즉 입상 실리콘 제품은 제품유출수단(20)을 통하여 유출되고 반응이 끝난 혼합 가스는 가스유출관(29)를 통하여 반응기 밖으로 배출된다.The silicon particles and the carrier gas heated in the heating zone 10 are in fluid contact with the silicon particles in the reaction zone 11 at the upper end of the reaction gas and the separation means 13 and fluidize smoothly. The contact of the particles is naturally caused by the rise of gas bubbles formed by the fluidizing gases 8, 9. These contacts dominate indirect heating in which the heat of the heating zone heated by the microwaves is transferred to the reaction zone. Radiative heat transfer between particles governs heat transfer in high temperature reaction systems. The temperature of the reactor wall in contact with the reaction zone 11 is lower than the silicon particles in the heating zone 10. Furthermore, as long as the flows of the fluidizing gases 8, 9 are in contact at the top of each of the annular heating zones, the concentration of the reaction gas containing silicon in the mixed gas 35 is close to the inner wall surface of the reactor 1. low. This is because a significant amount of carrier gas 8 rises along the inner wall surface despite contact with the reaction gas in the reaction zone. Therefore, precipitation of silicon on the reactor wall in the reaction zone is not a problem. On the other hand, the concentration of the reaction gas is highest in the axial direction, so that the CVD reaction occurs predominantly on the surface of the silicon particles in the direction of the central axis of the reaction zone rather than the wall surface of the reaction zone. The grown particles, that is, the granular silicon product, flow out through the product outlet means 20 and the mixed gas after the reaction is discharged out of the reactor through the gas outlet tube 29.

가스 흐름의 속도 즉 캐리어어 가스이 속도는 가열영역(10)으로부터 반응영역(11)으로의 열전달이 효과적이도록 조절된다. 앞에서 언급한 양태에서 캐리어가스(8)의 최소 흐름 속도는 반응영역(11)로 부터 가열영역(10)으로 실리콘 원소가 포함된 반응가스의 역류 현상이 방지되는 속도에서 결정된다. 최소 흐름 속도는 환상 가열영역의 가스 샘플 분석에 의해 미리 결정된다. 초단파(25a),(25b)가 침투되는 반응기의 내벽면에 실리콘 석출 현상이 방지된다. 작은 입경의 실리콘 유동층이 높은 충진 높이를 형성할 경우, 과잉의 가스흐름 속도는 가 버블들이 상승하면서 성장하고, 반응기의 단면적보다 크게 되어, 실리콘 입자층이 상하로 분리되는 슬러깅(slugging) 상태가 된다. 슬러깅 상태의 조업은 반응수율이 감소될 뿐아니라 실리콘 입자들이 고착화하는 현상이 일어난다. 캐리어가스(8)의 속도는 슬러깅 상태가 방지되고 실리콘 원소가 포함된 반응가스의 역류 현상이 방지되는 소도 범위에서 조절된다.The rate of gas flow, that is, the rate of carrier gas, is adjusted so that heat transfer from the heating zone 10 to the reaction zone 11 is effective. In the above-mentioned embodiment, the minimum flow rate of the carrier gas 8 is determined at a rate at which the backflow phenomenon of the reaction gas containing silicon element from the reaction zone 11 to the heating zone 10 is prevented. The minimum flow rate is predetermined by gas sample analysis in the annular heating zone. Precipitation of silicon on the inner wall surface of the reactor through which the microwaves 25a and 25b penetrate is prevented. When a small particle size silicon fluidized bed forms a high fill height, the excess gas flow rate grows as the bubbles rise and become larger than the cross-sectional area of the reactor, resulting in a slugging state in which the silicon particle layer separates up and down. . Operation in the slugging state not only reduces the reaction yield, but also causes the silicon particles to stick. The speed of the carrier gas 8 is controlled in an extinction range in which a slugging state is prevented and a backflow phenomenon of the reaction gas containing silicon element is prevented.

열손실을 감소시켜 에너지를 추걱하기 위하여 석영반응기(1)의 외벽면과 초단파 가열로(2)사이에 단열재를 설치하였다. 가열영역의 주위를 둘러싼 단열재(27b)는 고순도 실리카와 같은 초단파의 흡수가 적은 재질로된 여러 형태의 것을 사용한다. 가열영역과는 달리 반응영역의 외벽면을 둘러싼 단열재(27a)는 실리카 재질만 아니라 전통적으로 사용되어지는 유용한 단열 재질들중에서 선택된다. 이들 물질은 펠트, 울, 천구조, 튜브, 블록, 등의 다양한 형태로 사용된다.Insulating material was installed between the outer wall surface of the quartz reactor (1) and the microwave heating furnace (2) to reduce the heat loss and detract energy. The heat insulating material 27b surrounding the heating area uses various types of materials having low absorption of microwaves such as high purity silica. Unlike the heating zone, the heat insulating material 27a surrounding the outer wall surface of the reaction zone is selected from not only silica but also useful heat insulating materials conventionally used. These materials are used in various forms such as felts, wools, fabrics, tubes, blocks, and the like.

제안된 특허에 따른 고순도 다결정 실리콘의 제조에 대한 공정의 실시예를 아래에 기술하였다.An example of a process for the preparation of high purity polycrystalline silicon according to the proposed patent is described below.

실시예 1Example 1

전통적인 초단파 가열 방법과 비교하여 제안된 특허의 효과를 시험하기 위하여 두가지 종류의 CVD 조업을 실시하였으며, 반응가스로 삼염화 실란을 사용하였다.Two kinds of CVD operations were conducted to test the effectiveness of the proposed patent compared to the conventional microwave heating method, and trichlorosilane was used as the reaction gas.

제안된 특허를 시험하기 위한 CVD조업의 한 예로, 내경 104mm, 두께 3mm, 높이 1060mm이 원통형 석영반응기를 제1도의 초단파 가열로(2)의 내부에 설치하였었다. 넓이 80mm, 높이 200mm, 두께 5mm의 석영으로 만들어진 사각판을 가열영역(10)과 반응영역(11)로 반응기를 분리하기 위하여 석영반응기(1)의 하부에 설치하엿다. 177-590㎛의 입경범위를 가진 평균입경 335㎛ 크기의 실리콘 입자 3.4kg를 실리콘 입자 충진층을 형성하기 의하여 공급하였다. 가스분배수단(14),(15)을 기준으로 충진층의 높이는 300mm로 유지되었다. 2450MHz 주파수의 초단파가 초단파 가열로(2)에 연통된 도파관(24)을 통하여 가열영역에 공급하였다. 고순도 실리카로 된 20mm 두께의 단열재를 반응기의 외벽면과 초단파 가열로 내벽면 사이에 설치하였다. 이 설험에 대한 전형적인 조업 조건은 다음과 같다.As an example of the CVD operation to test the proposed patent, an inner diameter of 104 mm, a thickness of 3 mm, and a height of 1060 mm were used to install a cylindrical quartz reactor inside the microwave furnace 2 of FIG. A square plate made of quartz having a width of 80 mm, a height of 200 mm, and a thickness of 5 mm was installed at the bottom of the quartz reactor 1 to separate the reactor into the heating zone 10 and the reaction zone 11. 3.4 kg of silicon particles having an average particle diameter of 335 μm having a particle size range of 177-590 μm were supplied by forming a silicon particle filling layer. The height of the filling layer was maintained at 300 mm based on the gas distribution means 14 and 15. Microwaves with a frequency of 2450 MHz were supplied to the heating zone through the waveguide 24 communicated with the microwave heating furnace 2. A 20 mm thick insulation made of high purity silica was installed between the outer wall of the reactor and the inner wall of the microwave furnace. Typical operating conditions for this demonstration are:

(1) 캐리어가스(수소)(1) Carrier gas (hydrogen)

유속 0.5mol/minFlow rate 0.5mol / min

예열온도 350℃Preheating temperature 350 ℃

(2) 반응가스(삼염화 실란과 수소)(2) reactive gases (trichlorosilane and hydrogen)

삼염화 실란의 유속 0.35mol/minFlow rate 0.35mol / min for trichlorosilane

수소의 유속 0.45mol/minFlow rate of hydrogen 0.45mol / min

예열 온도 100℃Preheating temperature 100 ℃

(3) CVD 조업 온도 960℃(3) CVD operating temperature 960 ° C

(4) 반응압력 대기압(4) reaction pressure atmospheric pressure

조업은 실리콘 종입자(5)의 연속적을 반응기에 공급되고, 반응 내부의 실리콘 충진층의 높이가 일정하게 유지되는 제어 수단에 의해 유지된다. 그리고 충분히 성장한 입상 실리콘(33)은 제품유출수단(20)에 의해 연속적으로 유출되는 방법으로 실시되었다.The operation is maintained by a control means in which a series of silicon seed particles 5 is supplied to the reactor, and the height of the silicon packed layer inside the reaction is kept constant. The sufficiently grown granular silicon 33 was carried out by the method of continuously flowing out by the product outlet means 20.

이 방법에 따라 조업할때, 1140g의 실리콘 석출량을 10시간의 CVD조업으로 얻어졌다. 약 3.2KW의 초단파 에너지가 삼염화 실라의 주입전에 필요로 하였으며, 삼염화실란의 주입으로 CVD 반응이 일어날때는 4.3KW의 초단파 에너지가 필요하였다. 캐리어가스와 반응가스의 가스 분산판의 온도는 CVD 조업중에 625와 342℃로 유지되었다. CVD 조업 후 가열영역을 둘러싼 반응기 벽면에서의 실리콘 석출 현상은 발견되지 않았고, 석영반응기로 국부적인 파열이나 변형이 관찰되지 않았다. 조업후 반응기내에 남아 있는 실리콘 입자와 유출된 입상 실리콘 제품에는 실리콘 입자들이 상호 엉겨 붙는 현상이 없었다. 또한 반응가스가 도입되는 분산판 표면에도 실리콘의 석출 현상이 발견되지 않았다.When operating according to this method, 1140 g of silicon precipitate was obtained by CVD operation for 10 hours. Microwave energy of about 3.2KW was required before the injection of trichlorosilane, and when the CVD reaction occurred by injection of trichlorosilane, 4.3KW of microwave energy was required. The temperatures of the gas dispersion plates of the carrier gas and the reactant gas were maintained at 625 and 342 ° C. during the CVD operation. No precipitation of silicon on the reactor wall surrounding the heating zone after the CVD operation was observed, and no local rupture or deformation was observed with the quartz reactor. There was no phenomenon in which the silicon particles were entangled with each other in the silicon particles remaining in the reactor after operation and the granular silicon products leaked out. In addition, no precipitation of silicon was found on the surface of the dispersion plate into which the reaction gas was introduced.

전통적인 초단파의 가열 방법을 시험하기 위한 CVD 조업이 또한 실시되었다. 그 예로, 상기 실험에서 사용되었던 장치를 후술하는 것과 같이 개조하여 실시하였다. 분리판이 반응기로부터 제거되고, 실리콘 입자 충진층을 가열영역의 분리없이 반응영역으로 사용하였다. 반응기 내벽면에의 실리콘 석출을 최소화하기 위하여 초단파 가열로(2)의 하부에 냉각 가스의 주입을 위한 가스 주입 노즐이 설치하여, 반응기 외벽면을 질소가스로 냉각하였다. 또한 수냉 수단이 개재된 다공 분산판을 설치하였다. 냉각 가스는 제1도에서 가스차단판(4)에 만들어진 구멍을 통하여 배출하였다. 두개의 가스공급수단(16),(17)으로 분리된 가스 챔버(18),(19)에 예열된 반응가스(9)가 가스분배수단(14),(15)을 통하여 주입되도록 변형하였다. 이 전통적인 공정에서, 초단파가 공급되는 조업 조건에서 캐리어가스의 주입 속도와 반응가스가 미리 혼합되고 150℃로 예열되는 것을 제외하고는 첫번째 예와 동일하였다. 벽면 냉각을 위한 질소의 주입 속도와 분산판의 냉각수 흐름은 8.5mol/min과 9ℓ/min이었다.CVD operations were also conducted to test the traditional microwave heating method. For example, the apparatus used in the above experiment was retrofitted as described below. The separator was removed from the reactor and the silicon particle packed layer was used as the reaction zone without separation of the heating zone. In order to minimize the precipitation of silicon on the inner wall of the reactor, a gas injection nozzle for injecting the cooling gas was installed in the lower part of the microwave heating furnace 2, and the outer wall of the reactor was cooled with nitrogen gas. Furthermore, the porous dispersion plate with the water cooling means interposed. The cooling gas was discharged through the hole made in the gas barrier plate 4 in FIG. The reaction gas 9 preheated to the gas chambers 18 and 19 separated by the two gas supply means 16 and 17 is modified to be injected through the gas distribution means 14 and 15. In this traditional process, it was the same as the first example, except that the injection rate of the carrier gas and the reaction gas were premixed and preheated to 150 ° C. under operating conditions with microwave supplied. Nitrogen injection rates for wall cooling and coolant flow in the dispersion plate were 8.5 mol / min and 9 L / min.

전통적인 방법으로 조업될때, 이 특허의 전기 실시예와 동일한 반응 온도로 유지하는데 더 많은 초단파 에너지가 필요하였다. 이것은 반응기 벽면을 냉각한 필연적인 결과이다. 삼염화 실란의 주입 전후에 CVD 조업 온도로 유지하는데 필요한 초단파 에너지는 6.1KW, 7.6KW였다. 그러나 삼염화 실란의 도입후에 반응 온도의 유지에 필요한 초단파 에너지는 7.6KW에서 점점 증가하였다. 이 현상은 시간에 따라 증가하였으며 초단파의 출력의 한계에 도달하여 더 이상의 조업을 할 수 없었다. 이러한 초단파 에너지 증가하는 현상은 주로 초단파가 도입되는 석영반응기의 내벽면에의 실리콘 석출 때문이었다. 석영반응기의 외벽면에 냉각 유체에 의한 냉각보다는 뜨거운 실리콘 입자가 접촉하는 외벽면에서의 열전달속도가 빨라 효과적인 냉각이 이루어지지 않고 실리콘 석출이 일어났기 때문이다.When operating in the traditional way, more microwave energy was needed to maintain the same reaction temperature as the electrical embodiment of this patent. This is a necessary result of cooling the reactor wall. The microwave energy required to maintain the CVD operating temperature before and after the injection of trichlorosilane was 6.1 kW and 7.6 kW. However, after the introduction of the trichlorosilane, the microwave energy required to maintain the reaction temperature gradually increased at 7.6 KW. This phenomenon increased over time and reached the limit of microwave output, so no further operation was possible. This increase in microwave energy was mainly due to the precipitation of silicon on the inner wall of the quartz reactor into which microwave was introduced. This is because the heat transfer rate is faster at the outer wall surface where the hot silicon particles are in contact with the outer wall surface of the quartz reactor than the cooling by the cooling fluid, so that the silicon precipitation occurs without effective cooling.

반응기 내벽면에 실리콘이 석출된 층의 두께가 점점 증가하고, 여기서 공급되는 초단파의 에너지의 일부가 흡수되어 손실됨으로서, 반응 온도를 유지하는데 필요한 초단파의 에너지가 증가하였다. 그리고 조업후 장치를 해체했을때, 몇개의 실리콘 입자가 도파관(24)의 출구 전면의 반응기 내벽면에서 서로 엉겨 붙은 것을 관찰하였다. 순실리콘 증착량 420kg을 포함하여 총제품 3920g중 120g 이상의 실리콘 입자가 반응기 내부에 서로 엉켜 붙어 있는 것이 관찰되었다. 이러한 현상은 벽면의 냉각 손실 열량의 공급을 위한 과다한 초단파를 공급함으로서 초단파가 공급되는 부위의 단위 면적당 에너지 밀도가 증가하여 원하지 않는 과열구간이 존재하였던 것으로 보여진다. 뒤이은 CVD 조업과 다른 조업 조건에서도 전통적인 초단파 가열 방법에 의한 CVD 조업은 비효율적이고, 불안정하며, 내벽면의 실리콘 석출문제등이 문제점이 많았다.The thickness of the layer in which the silicon precipitated on the inner wall of the reactor gradually increased, and part of the microwave energy supplied therein was absorbed and lost, thereby increasing the energy of the microwave required to maintain the reaction temperature. When the device was dismantled after the operation, it was observed that some silicon particles were entangled with each other on the inner wall of the reactor in front of the outlet of the waveguide 24. It was observed that more than 120g of silicon particles in 3920g of total products were entangled inside the reactor, including 420kg of pure silicon deposition. This phenomenon seems to be due to the supply of excessive microwaves for the supply of heat loss of the cooling loss of the wall to increase the energy density per unit area of the region to which the microwaves are supplied, resulting in an unwanted overheating section. In the subsequent CVD operation and other operating conditions, the CVD operation by the conventional microwave heating method was inefficient, unstable, and had problems of silicon deposition on the inner wall.

실시예 2Example 2

제안된 특허를 시험하기 위한 CVD 조업의 도다른 예로, 냉각 204mm, 두께 4.5mm, 높이 1700mm인 원통형 석영반응기를 제2도의 초단파 강려로(2)의 내부에 설치하였다. 내경 80mm, 높이 350mm, 두께 5mm의 성영관으로 만들어진 관모양의 분리관(13)을 가열영역(10)과 반응영역(11)로 분리하기 이하여 석영반응기(1)의 하부에 설치하였다. 297-1000㎛의 입경범위를 가진 평균입경 647㎛ 크기의 실리콘 입자 33kg을 실리콘 입자 충진층을 형성하기 의하여 공급하였다. 가스분배수단(14),(15)을 기준으로, 충진층의 높이는 700mm 유지되었다. 915MHz 주파수의 초단파가 초단파 가열로(2)에 연통된 도파관(24a),(24b)을 통하여 가열영역에 공급되었다. 고순도 실리카로 된 20mm 두께의 단열재(27a),(27b)를 성영반응기(1)의 외벽면과 초단파 가열로(2) 내벽면 사이에 설치하였다. 이 실험에 대한 전형적인 조업 조건은 다음과 같다.As another example of the CVD operation to test the proposed patent, a cylindrical quartz reactor of cooling 204 mm, thickness 4.5 mm and height 1700 mm was installed inside the microwave furnace 2 of FIG. After separating the tube-shaped separator tube 13 made of a sex tube having an inner diameter of 80 mm, a height of 350 mm, and a thickness of 5 mm into a heating zone 10 and a reaction zone 11, it was installed under the quartz reactor 1. 33 kg of silicon particles having an average particle diameter of 647 μm having a particle size range of 297-1000 μm were supplied by forming a silicon particle filling layer. Based on the gas distribution means 14, 15, the height of the packed bed was maintained at 700 mm. The microwave at the frequency of 915 MHz was supplied to the heating region through waveguides 24a and 24b connected to the microwave heating furnace 2. 20 mm thick insulating materials 27a and 27b made of high purity silica were installed between the outer wall surface of the Sung Young reactor 1 and the inner wall surface of the microwave heating furnace 2. Typical operating conditions for this experiment are:

(1) 캐리어가스(수소)(1) Carrier gas (hydrogen)

유속 4.0mol/minFlow rate 4.0mol / min

예열온도 250℃Preheating temperature 250 ℃

(2) 반응가스(삼염화 실란과 수소)(2) reactive gases (trichlorosilane and hydrogen)

삼염화 실란의 유속 3.1mol/minFlow rate 3.1mol / min for trichlorosilane

수소의 유속 6.0mol/minFlow rate of hydrogen 6.0mol / min

예열 온도 100℃Preheating temperature 100 ℃

(3) CVD 조업 온도 930℃(3) CVD operation temperature 930 ° C

(4) 반응압력 대기압(4) reaction pressure atmospheric pressure

조업은 실리콘 종입자(5)의 연속적을 반응기에 공급되고, 반응 내부의 실리콘 충진층의 높이가 일정하게 유지되는 제어 수단에 의해 유지된다. 그리고 충분히 성장한 입상 실리콘(33)은 제품유출수단(20)에 의해 연속적으로 유출되는 방법으로 실시되었다.The operation is maintained by a control means in which a series of silicon seed particles 5 is supplied to the reactor, and the height of the silicon packed layer inside the reaction is kept constant. The sufficiently grown granular silicon 33 was carried out by the method of continuously flowing out by the product outlet means 20.

제안된 특허에 의한 방법에 따라 조업할때, 30.4kg의 순실리콘 석출량을 30시간의 CVD 조업으로 얻어졌다. 약 17KW의 초단파 에너지가 삼염화 실란의 주입 전에 필요로 하였으며 삼염화실란의 주입으로 CVD 반응이 일어날때 28KW의 초단파 에너지가 필요하였다. CVD 조업후 가열영역을 둘러싼 반응기 벽면에서의 실리콘 석출 형상은 발견되지 않았고, 석영반응기도 국부적인 파열이나 변형이 관찰되지 않았다. 조업후 반응기내에 남아 있는 실리콘 입자와 유출된 입상실리콘에는 실리콘 입자들이 상호 엉겨 붙는 현성이 없었다.When operating according to the method according to the proposed patent, a net silicon precipitation of 30.4 kg was obtained by CVD operation for 30 hours. Microwave energy of about 17KW was needed before the injection of trichlorosilane and 28KW of energy was required when the CVD reaction occurred by injection of trichlorosilane. After the CVD operation, no silicon precipitation shape was observed on the reactor wall surrounding the heating zone, and no local rupture or deformation was observed in the quartz reactor. After the operation, the silicon particles remaining in the reactor and the granular silicon leaked did not exhibit the tangling of the silicon particles.

Claims (3)

유동층 반응기를 이용하는 일상 다결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 가스상 혹은 증기상의 실리콘원소 함유 가스가 반응 온도로 유지되는 전기 실리콘 입자 표면에 실리콘 금속을 석출하는 반응영역과 전지 실리콘 입자의 일부분을 전기 반응 온도 이상으로 가열하는 가열영역으로 전기 유동층 반응기를 분리하고 전기 반응영역에 전기 실리콘 원소를 포함하는 반응가스를 도입하므로 전기 반응영역에 있어는 전기 실리콘 입자를 유동화하고 전기 가열영역에 캐리어가스를 도입함으로서 전기 가열영역에 있는 실리콘 입자를 유동화하고 전기 가열영역에 초단파 에너지를 도입함으로서 전기 가열영역에 있는 전기 실리콘 입자를 가열하고 전기 반응영역의 전기 실리콘 입자와 전기 가열영역의 상부에 있는 전기 실리콘 입자가 혼합이 일어나므로서 전기 가열영역으로부터 전기 반응영역으로 열전달이 일어나고 전기 반응영역으로부터 가열영역으로 전기 반응가스의 역류를 근본적으로 방지하기 위하여 전기 가열영역에 전기의 캐리어가스의 속도를 조절하도록 하여서 된 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 입상 다결정 실리콘의 제조 방법.In a method for producing a daily polycrystalline silicon using a fluidized bed reactor, a reaction region for depositing silicon metal on a surface of an electrosilicon particle in which a gaseous or vaporous silicon element-containing gas is maintained at a reaction temperature and a part of the battery silicon particles are above an electrical reaction temperature. The electric fluidized bed reactor is separated into a heating zone to be heated by heating, and a reaction gas containing an electrosilicon element is introduced into the electrical reaction zone. Therefore, the electrical silicon is fluidized in the electrical reaction zone and the carrier gas is introduced into the electrical heating zone. By fluidizing the silicon particles in the zone and introducing microwave energy into the electric heating zone, the electric silicon particles in the electric heating zone are heated, and the electro-silicon particles in the electric reaction zone and the electric silicon particles in the top of the electric heating zone are mixed. Therefore Method for fluidized bed heating by microwaves by adjusting the speed of the carrier gas of electricity in the electric heating zone to heat transfer from the heating zone to the electric reaction zone and fundamentally prevent backflow of the reaction gas from the electrical reaction zone to the heating zone. Method for producing high purity granular polycrystalline silicon by 제1항에 있어서, 전기 가열영역이 있는 전기 유동층 반응기에 적어도 한개 이상의 측면으로부터 초단파 에너지가 도입되므로서 전기 가열영역의 온도가 적어도 전기 반응 온도 이상으로 전기 실리콘 입자가 가열되는 것을 특징으로 하는 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 입상 다결정 실리콘의 제조 방법.2. The microwave according to claim 1, wherein the microwave energy is heated to at least one side of the electric fluidized bed reactor having the electric heating zone so that the temperature of the electric heating zone is at least the electric reaction temperature. Method for producing high purity granular polycrystalline silicon by fluidized bed heating method. 제1항에 있어서, 전기 유동층 반응기의 외벽면을 초단파의 투과 손실이 적은 재질로 된 보온 단열재로 보온하는 것을 특징으로 하는 초단파에 의한 유동층 가열 방법에 의한 고순도 입상 다결정 실리콘의 제조 방법.The method for producing high purity granular polycrystalline silicon according to claim 1, wherein the outer wall surface of the electrically fluidized bed reactor is insulated with a heat insulating material made of a material having a low permeation loss of microwaves.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100661284B1 (en) * 2006-02-14 2006-12-27 한국화학연구원 Preparation of granular polycrystalline using fluidized bed reactor
CN117105230A (en) * 2023-08-25 2023-11-24 乐山协鑫新能源科技有限公司 Method and device for producing granular polycrystalline silicon

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