TW541367B - Method and apparatus for silicon deposition - Google Patents

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541367 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明係關於在產生於C V D反應器內部的種晶粒子 上產生化學汽相沈積法（CVD)反應之裝置與方法，特 別是將含矽氣體轉換成固體的多晶矽之增進技術。 定義 爲了揭示本發明，文中所出現的下列語彙將賦與下列 定義。 非無週期性原子結構之固態矽。由於某些原因例如 ，低溫抑制原子之活動性、，在原子缺乏機會適當排列時， 可能會形成非晶矽。非晶矽含水與否取決於形成狀況。 死1:流化床之內的範圍，此處構成該床的粒子幾乎或根 本不運動β若粒子爲黏稠狀，例如其高於坦曼溫度，將由 於缺乏充分的擾動而傾向融合爲死區。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 稠密相分離:依據大小之固態粒子分離，一般發生在床空 隙（ε)值介於〇 · 35〜0 · 55之間的流化床的範圍 之內。此範圍內的操作意味著粒子彼此足夠靠近所以能一 起作用而非個別作用。此一分離可發生於流化床CVD反 應器的範圍之內，目無需分離容器。流化床範圍內之狀況 一般是充分混合的。經過速度利用產生分離效應，且壓力 梯度一般根據容器之幾何形狀呈現或感應於床中。 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） ' 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 541367 A7 ___ _B7 __ 五、發明説明（2 ) 稀薄相分離:依據大小之固態粒子分離，一般發生在床空 隙（ε)大於0 · 8之液壓輸送的範圍之內。此範圍內的 操作意味著粒子彼此充分分離。在空隙超過0·99與容 器一粒子直徑比大於1 0 0的狀況下/粒子爲個別作用而 非一起作用。在介於0·8〜0·99之間與容器一粒子 直徑比小於1 0 0的狀況下，鄰近粒子與器壁的某些交互 作用分別稱爲集中效應與器壁效應或共稱爲阻礙凝結。此 一分離經常發生在與流化床反應器分離之容器中或需在反 應器內部爲分離而產生稀釋區。經過Stoke定律的產生分 離效應或藉由終端速度，有或無阻礙的分離詳述於R.H. Perry 與 D· Green所著，McGraw-Hill (NY)所出版的 Perry’s Chemical Engineers’ Handbook，第 6 版的’粒子動力學 ，一節，第5—63〜5—68頁中。 稀薄氣體=包含氫（H2)，氦（He)，氬（Ar)， 氖（Ne)，氪（Kr)，氙（Xe)及其混合物之群類 之任一者。 晶粒過濾=從藉由經過粒子床傳遞氣流而生效之氣流移去 粒子，經常是移去大於粒子者。晶粒過濾之理論詳述於 Perry 氏所著的 'Gas-Solids Seperation# ’ 第 6 版’第 2 0 — 7 5〜2 0 — 8 2頁之若干參考文獻中β流化床中 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ _ — -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 541367 A7 ___ϋΖ_ 五、發明説明（3) 之晶粒過濾的應用則簡述於第2 0 — 1 0 4頁中。 含鹵素氣體:包含氯（Cj?2)，氯化氫（HCj?)，二 氯矽烷（SiH2C52)，三氯矽烷（（SiHC:3) ，四氯化矽（SiCj^4)，溴（Br2)，溴化氫（ Η B r )，二溴矽烷（SiH2Br2)，三溴矽烷 (SiH2Br3)，四溴化矽（SiBr4)，碘（12) ’碘化氫（HI)，二碘矽烷（SiH2I2)，三碘矽院 (S i Η I 3)，四碘化矽（Si 14)，及其混合物之群 類之任一者。 血熱光源:例如具有可被CVD反應器入口之內的含矽氣 體吸收能量之波長分佈的微波，無線電頻率，可見光，紅 外線或紫外線輻射等相干或非相干電磁輻射足以引起永久 分解且殘留能量可爲反應器中的矽珠所吸收。 高純度含矽建浩材料:包含單晶矽（S i X )，多晶矽（ Si)，二氧化矽（Si02)，碳化矽（SiC)，塗 覆石墨（C)之碳化矽（SiC)及氮化矽（SiN)。 豐射貫穿長度（P ):氣體噴射即將貫穿粒子床之距離。 對向上的噴射而言，噴射貫穿長度可由其與節流口直徑之 比例求算出： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

541367 A7 _______B7_ 五、發明説明（4 ) P/D。 = 52 · log10(U〇 · P i1/2)-98·046 (1) 此處，P=噴射貫穿長度〔=〕cm D0=節流口直徑〔=〕cm u〇 =節流口速度〔=〕cm/s 入口氣體密度〔=〕g/cm3 上述方程式之曲線與Zenz, F.A.所著，Pemm-Corp Publicvtions (Nelsonville, NY, 1 9 89 )發行之 Fj u i d i zat i on and Fluid Particle Systems. Vo 1 . Π Lr..af t.，第148頁中之圖30吻合。 動J率:每單位時間消耗的動能。對氣流而言，其動功率 可以數學式表示如下： P k= G · ν 2/ 2 ( 2 ) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此處，ΡΚ =動功率〔=〕質量•長度2 /時間3 G =通過節流口之質流率=ρ · Q〔=〕質量/時 間 0 =氣體密度〔=〕質量/時間3 Q ==通過節流口之體積流率〔=〕長度3 /時間 ν =通過相同節流口之氣體速度〔==〕長度/時間 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -7 - 541367 A7 B7 五、發明説明（5 ) 爲 係 關 之 率 流 積 體 與 V 度 速 1 氣

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2 ο D 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A 7 B7 五、發明説明（6) 此處，D〇=節流口直徑〔=〕長度。 將方程式3，4，5代入方程式2

Pk = 8· (R/tt)2· (T/P)2· (Z/M)2· G3/D〇4。 （6) 首項爲常數。溫度與壓力爲操作者所控制。溫加遞增則動 功率遞增，而壓力遞減則動功率遞減。可壓縮性與莫耳重 爲所選氣流的特性。對氣體而言，當操作狀況逼近臨界溫 度與壓力時，可壓縮性益形重要。質量流率以立方項成正 比例。節流口直徑爲一函數，與四次方成反比。例如變更 含矽氣體等主要的製造改變可藉由變更節流口直徑而獲得 補償。 最小流化速度(u m f):通過粒子床的表面氣體速度之下 的床維持固定。最小流化速度可利下列方程式計算出：

Umf = [dp/φ]2· [ε3/(1-ε)]· [g/181]· [(P p-P /β s] (7) 此處，=最小流化速度〔=〕cm/s 粒子直徑〔=〕cm 粒子球度〔=〕無維度 床空隙〔=〕無維度 g=重力加速度=9 8 0 cm/s2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .¾. 訂 9 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 )

P =粒子密度〔=〕 g /cm3 P这二 =氣體密度〔=〕 S /cm3 β落二 =氣體黏滯性〔= ] g / c m / s =P ·· 一群描述內力與黏滯力之比值的 無維度數，可以數學式（一致的單位）計算出： R6= Us* dp/^-s (8) 此處，Rejpj雷諾數〔=〕無維度 氣體密度〔=〕質量/長度3 ug =表面氣體速度〔=〕長度/時間 dp=粒子直徑〔=〕長度 =氣體黏滯性〔=〕質量/長度/時間 多晶矽:固態矽係由以三維週期性形態排列之原子所構成 ，其中的週期性形態在邊界處中斷。 烤玉米（_corning):用於拉晶的字眼。當固體熔於液 態浴，濺射固態碎片與某液體中時，描述未熔固體微小爆 炸之現象。濺射物會落在單晶塊，此爲造成晶體缺陷之主 因。

含矽氣體：包含甲矽烷（SiH4)，乙矽烷（Si2H 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-10 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) )，二氯矽烷（SiH2C$2)，三氯甲矽烷（ S i H C 3 )，四氯化矽（SiCj?4)，二溴甲矽烷（ s 1 Η 2 B r 2 )，三溴甲矽烷（SiHBr3)，四溴化 矽（SiBr4)，，二碘甲矽烷（SiH2I2)，三碘 甲矽烷（SiHI3)，四碘化矽（Si 14)，及其混合 物之群類之任一者。 ^..ΜΜ饱:包含二氧化矽（Si02)，碳化矽（ S i C )，氮化矽（SiN)，三氧化二鋁（Aj?2〇3) ’碳（C)及其混合物之群類之任一者。 搜.A..噴射床:藉由向上之氣體噴射使固體粒子塊膨脹並懸 浮’使得該塊或粒子床呈現許多液體之特性。噴射形成稀 釋相，其中的拉子混入並急速導引向上，但不必離開乳劑 之表面或濃稠相，由於粒子床之深度大於噴射，所以環繞 著（通常是噴射床的）噴射。儘管此現象可能存在於所有 氣體分佈網格中的進入噴射，但其微小而忽略，且在有單 一朝上之氣體進入噴射時，最好有該現象存在。 1曼溫度:在此溫度，固體的表面顯示了活動之顯著改變 ，例如，表面反應速率顯著遞增而且矽珠變得黏稠。坦曼 溫度之近似值爲材料之絕對熔化溫度的5 2%。 錐形區:流化床反應器之一部分，其中的容器壁之直徑隨 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 541367 A7 B7 五、發明説明（9) 著直徑遞增使其在封閉的流化床之內產生稠密相分離。 輸離高度（T D Η :從固體的流化床之表面起算的 距離，高於此距離，粒子容積不再遞減，氣體速度輪廓已 經穩定而且有效表面速度可視爲離開被床橫截面積所分割 之床表面的體積氣體流。利用Zenz與Wei 1在Zenz, F. Α.， Weil, N. A. , A. I. Ch. E. J. 4. 472 ( 1 9 5 8 )所發現之方法可 計算出TDH，其在關於流化的教科書與文獻中經常被引 用。 發明摘要 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲了達到特定目的而非只是從事先前已被完成之事， 產生邊際增進，我們在此提出產品與方法之定義。晶粒狀 的多晶矽產品之平均粒子大小愈大愈好，最好介於1 mm 〜3 mm之間，而粒子大小分佈愈窄愈好，最好斜向較大 粒子處。珠應爲圓形（球狀），光滑（高晶度），無塵， 以符合相同受體/施體，金屬及碳之要求，如同塊狀多晶 矽一般，並具有低氫成份以避免拉晶器中的爆米花現象。 此方法應該是符合成本效益，能量效率，可靠，易於操作 ，易於自動化，易於控制，自我更正，無雜質產生，而且 ，可能的話，完成於單一反應器中。詳言之，此方法應該 可藉著大珠的選擇撤離在內部自我長晶並分離，避免珠之 氫污染並具有撤離並封裝產品而不污染產品之方法。 高純度矽與類似材料廣泛用於半導體裝置的生產。高 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~ 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1()) 純度矽一般係藉由例如矽烷，二氯矽烷，三氯矽烷或移除 所有離質之精煉二氯矽烷等含矽氣體的熱分解來獲得。熱 分解首先完成於加熱表面之上，然後該表面覆塗著含矽氣 體所釋放之元素矽。此製法稱爲化學汽相沈積法（c VD )。爲避免污染產生，起始或CVD發生的種晶表面需要 以高純度矽製造。標準工業技術，熱線或西門子反應器採 用高純度棒當做種晶表面。此項技術在主要與操作成本中 佔了相當的比例，因此需要採一種更爲進步的科技。流化 床提供了與含矽氣體接觸之大表面面積接觸之可行性。用 於電子級矽的測試與全比例流化床反應器已建造完成，但 是先前技術遭S[嚴重的操作與純度問題，而且仍無法克服 完全熱量與矽轉換效率等問題。 石化業界曾發展出一種流化床技術，以符合成本效益 的方法將固態反應物或裂解粒子引入與反應氣體接觸。該 技術的商業價值促使其應用之研究導入矽沈積。許多專利 已經揭示了在矽粒子上的含矽化合物之沈積。含有含矽化 合物之氣體，在高於足以分解含矽化合物之溫度，一般爲 4 0 0°C〜1 2 0 0 °C，通過矽種晶粒子的流化床。然後 元素矽沈積於種晶粒子，藉以增加其大小。然而，當吾人 將流化床用於元素矽的生產時，實際上遭遇到操作與純度 的難題。當矽粒子在床中生長時，傾向彼此黏著形成膠結 。矽粒子亦黏著於反應器中的任何其它表面，包括反應器 壁，反應器內部與粒子支持器或氣體分佈網格。此沈積物 或膠結會引起反應器或網格被沈積矽或矽粒子塞住，阻礙 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 13 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（u) 反應器繼續運作。反應器壁的銹蝕，來自稀釋氣體或加入 之種晶粒子的污染及產品矽珠的收集與處理皆會使矽變得 不純。 在柴可拉斯基拉晶器中，矽珠主要用於單晶矽塊的生 成。關於處理珠的能力，珠的表面污染，珠的氫成份，熔 化中的珠行爲，此拉晶器有特別的要求。如“以111(^0氏等 人的美國專利第5，037，503所述，對於上述問題 已投入相當的心血。因此，調査者遭到極大的困難，然而 ，主要是從石化業的成功轉移爲流化床技術的過程之中存 在有某些不明顯的難題，即使對熟習此道者亦如此。 流化床反應器的發展與集中於減小細微觸媒粒子損耗 之流體觸媒裂解器的發展源自於石化業。除了重石化產品 的流化煉焦之發展外，石化業亦完成一項工作。例如，

Lef f er在其美國專利第2，606，144號提到一種流 化煉焦器。 當流化床科技從石化業轉移至多晶矽的生產時，伴隨 著某些隱藏性的假設：可期待低損耗，即不可期在反應器 中磨而且細微的種晶粒子會穩定。Brown氏等人在其美國 專利第 4，0 8 0，9 2 7 號，General Atomic 中提出一 項類似的技術，即一種將熱解碳層沈積於核燃料粒子上的 方法。此技術亦用於發展矽流化床反應器的技術中，但其 亦避免矽人爲的粒子破碎形成新種晶。吾人須注意此項工 作乃利用噴射以形成Dun lop氏等，C E P · 5 4，3 9 ( 1 9 5 8 )的液化煉焦器之種晶，此處的粒子在具有及不 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（210 X 297公釐） ~ 一 14 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員Η消費合作社印製 541367 A7 _____B7__ 五、發明説明（12) 具有目標與噴射之反應器之中被磨碎，但是此項技術一直 到I ya的美國專利第4，424，199號才被用於多 晶矽技術中。 外部製備種晶的習知方法會導致來自容器的污染，其 中的種晶乃藉由某磨碎技術所產生的。產生用於矽生產的 高純度種晶之問題曾經由Iya在U·S·P· No· 4，424，199號所提出，該專利揭示氣體噴射向下 導入矽烷熱解反應器的分離進料斗中之粒子的稀釋流，引 起珠彼此撞擊並形成微粒。主要的含矽氣流在進料器之上 注射並向上導入反應器，且不用於任何產生種晶的方法中 。而是，透過噴嘴將稀薄氣體的微小高速噴射導入相對側 〇 藉著增加或產生少量的微小種晶是很難控制反應器中 的平均粒子大小，即使整批處理時亦很困難。種晶的生長 週期可以日計算，但改變反應器中的製程狀況，則可以小 時計算之。因此，控制反應器中的粒子大小是非常困難的 ，所以不但沒有關於如何達成控制的報告，甚至連重要參 數的陳述也沒有。 本發明提供一種在使用含矽源氣體的流化床反應器中 將固態矽沈積於矽珠上的先進技術，該氣體使用單一入口 噴射而分佈器，其中的含矽源氣體之噴射用來打碎反應器 之入口區中的微量矽珠形成構成新種晶的粒子，其上可進 一步產生生長。控制進入氣體的動能可充分地打碎所需之 粒子量，但不致於打碎過多的粒子，將平均產品粒子大小 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-15 - 541367 A7 B7 五、發明説明（13) 降低至所需大小之下。設計入口噴射以提供埋入噴射床使 得入口區域中的大珠連續地循環，如此一來，當其停滯一 段時間，儘管氣體的速度低入最小流化速度也不會傾向膠 結。 藉著調節噴射所產生的動功率可在線上將種晶產生量 控制於窄區間。當功率遞增，愈來愈多的較小種晶產生。 藉由增加質量或體積流量可增加動功率，因此提高溫度可 增k功率，但增加壓力則會降低功率。改變入口氣體性質 亦可改變動功率，例如稀釋。然而，種晶產生的大改變則 需要改變節流口，此改變無法在線上完成。種晶產生的數 目必須等於珠收集的數目。由於藉著增添更多矽至反應器 ，增加的含矽氣體之質量流率對材料平衡具有直接的效應 ，所以利用質量流率來控制動功率是需要深思熟慮的。爲 維持總體平衡，需要額外的磨碎。藉由適當的設計，種晶 在內部不斷地產生，所以無需中斷噴射種晶之操作，如此 可避免總體平衡的破壞。如此，可以簡單的方法處理反應 器中總體平衡之外部控制與藉種晶引入雜質的兩個問題。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 先前流化床的另一個問題是沒有一個有效率的方法將 大粒子當成產品從加入床當成種晶的小粒子分離。即，從 床移除的產品具有寬的粒子大小分佈，其中大於小種晶粒 子的所需量。Ingle在U · S · P · No· 4，4 1 6，9 1 3體認到此點，他在利用反應器內部之 複雜配置將較大粒子從反應室之底部移除時，企圖不斷循 環種晶粒子。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16 - 541367 A7 B7 14 五、發明説明（） 吾人可見Ingle所揭示之技術類似Leffer用於煉焦器 的技術且該技術取決於粒子與使用史托克定律（Stoke，s Law) »並僅適用於稀薄分離。據某些調查者所售，利用 終端速度分離珠亦是稀薄分離。日本日立公司的Uteo之專 利，昭5 8 — 2 0 4 8 1 4亦採用一個很類似的方法，利 用修正過的圓錐形反應器以高度來改變速度，逐出細微且 重粒子混合物中之混入細微粒子。Uteo仍然在極稀薄分離 系統操作，其中的小粒子之行爲相當獨立。 稀薄分離並非好方法，因爲相對於粒子之間的距離， 粒子與粒子之低表面區域之間大分離促成無需的副產品形 成：非晶灰或粉末。分離氣體必須非常純且其溫度須同或 接近反應器溫度。此分離氣體通常是稀薄的，不可避免地 稀釋反應器中的含矽氣體。此外，需要相當多的輔助儀器 以移動，加熱並純化大量的稀薄氣體，如此降低了反應器 系統之效率並爲整個製程增加許多成本。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

Ingle的設計亦遭到實際的問題，因爲所有反應器內 部的物質皆不可避免地如下述覆塗上矽。除去內部的物質 以創造一個稀薄分離的內部容器顯然需要努力。由於微波 可直接耦合於種晶粒子，所以Ingle注意到利用微波當做 較佳加熱裝置以企圖改進操作。

Iya在 U-S.P· Νο·4，424，199 中 針對Ingel的分離概念提出改進之道，即將種晶產生容器 視爲反應器底部之進料斗而非內部物質。因爲種晶之產生 低於含矽氣體的入口，向下噴射之噴嘴與進料斗壁較不可 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格（210X297公釐）=17 一 541367 A7 B7 15 五、發明説明（） 能覆塗上矽而是Ingel所言之內部物質。該專利建議整批 產生種晶以避免將種晶置於產物而非反應器’顯示連續分 離不可行。 可能是熟習的緣故，先前系統採用具有前述問題之稀 薄相分離。稠密相分離較不普遍，但是生產高純度多晶矽 之本發明是必要的。使用稠密相分離可避免額外產品處理 所造成之污染與用於稀薄相分離的分離氣體所造成之污染 。亦可避免額外容器之主要成本及處理與純化分離氣體之 操作成本與心血。 先前流化床一般設計爲稠密相，充分混合具有圓柱壁 之床，因此，當氣體進入反應器時，由於向下壓迫氣體之 床高度較低，在任一點的氣體所承受之壓力漸小。氣體的 速度與體積增加且速度輪廓形成，所以速度隨著從氣體入 口基準面起算之距離增加而增加。此設計中，速度輪廓爲 正的，即，速度隨著從入口基準面起算之距離增加而增加 。此提供了良好的混合而非依大小的粒子分離。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 爲達成本發明之稠密相分離，故選擇負的速度輪廓， 即，當高度增加時速度則減小。特別是，截面積增加速度 快於體積流動，如此列中任一點向上氣體速度低於在該點 之下的速度。此即爲所謂的負速度輪廓。此設計中，當較 大粒藉著類似於摩擦生熱之機構中的其它粒子來碰撞時， 慢慢地分離至區底部。藉著類似的機構，較小的粒子將傾 向移動至反應器的頂部。因此，經過一段時間，床呈現分 離狀況：較大的粒子在床之下部分，速度較高；小粒子在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 18 - 541367 A7 _B7_ 五、發明説明（16) 床之上部分，速度較低。此分離技術取決於稠密相機構， 而非先前系統中的稀薄相機構；無須使用史托克定律及其 它稀薄相分離機構。 在入口區上方使用錐形區是有助益的，因爲如此可使 產生於入口區中的較小種晶粒子移動至反應器上方，在粒 子回到其離開而留下產物之底部之前，有機會生長得較大 。同時，生長於蓄存區之這些粒子以柱流降落通過錐形區 ，如此較大粒子在離開反應器之前’可以進行至入口區並 接受最終矽沈積。此設計將製造出相當大粒子之較窄大小 分佈，兩者皆爲所欲。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 將整個反應器的上部分錐形化是可行的，然而，若完 成，所有的微小粒子將移動至反應器之頂部。當含矽物種 之集中朝向反應器頂部減小時，在反應器頂部的小粒子將 不容易長成較大粒子。此外，反應器頂部之直徑必須相當 大，否則會增加反應器之成本。最好是，反應器上部回復 爲圓柱形使速度輪廓再次爲正，在錐形區用於分離粒子之 後，在粒子進入底部並產生最終沈積之前。倘若是較大平 均粒子大小，正速度輪廓將混合床之上部分，否則爲反應 器頂部。如此，所有的粒子將在充分混合區之內循環並具 有相等的機會生長。此外，製造相當小直徑的圓柱形之成 本很明顯地小於大直徑的完整錐形。 錐形區之另一所需結果是形成在入口區中的噴射端之 氣泡可連續上昇至反應器而無需接觸反應器壁。由於預期 氣泡或稀薄相中的含矽物種之集中高於乳劑或稠密相中， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -iy - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 17五、發明説明（） 所以沈積在反應器壁上之矽量將減少。如此，藉由錐狀體 之適當設計可將壁沈積控制至某程度，假設高於入口噴射 基準面的高度增加而含矽氣體集中減少。壁沈積將進一步 討論如下。 沈積的方法分爲二階段。在低入口區中，特別是在噴 射中，有明顯的非均質反應，其中的含矽氣體被粒子表面 所吸收，然而分解且一部分的矽沈積，平衡與氫共產物離 開表面。固態反應產物的晶核形成之均質反應發生於氣相 中，導致小（5〜700nm)非晶矽粒子之形成。這些 非晶矽粒通過入口噴射之上的反應器床向上移動，藉由晶 粒過濾機構來過濾。過濾過的矽粒子再結晶於矽珠晶粒過 濾介質，成爲多晶矽珠之不可分辨之一部分β如此構成沈 積之第二方法。 噴射亦形成相當大（1 0 0〜1 0 0 0 // m )種晶粒 子，大部分伴隨著噴射被向上載入珠貯蓄區，如此可將小 種晶與大產物分離。在入口區之上的珠貯蓄區中的種晶以 較慢的速率長成，而非接近入口含矽氣體之高濃縮者。當 上區中的粒子成長時，往後移動至下區，如此即可發生依 大小之粒子分離。 當氣與珠循環時，非晶矽粒末或粉末之一部通過珠再 循環出噴射。此粉法與珠再進入底部之噴射並藉著非均質 沈積長成。大量小粉末粒子的出現壓迫均質晶核形成並已 形成粒子之大小。此爲重要的特徵，因爲較大粉末粒子易 於從床之上區過濾出來。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） ~ 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 18541367 A7 B7 五、發明説明（） 材料平衡中的大損失一直爲此非晶粉末之形成，成爲 主要的操作問題。特別是若矩床用於大多數先前系統中， 非晶矽離開反應器並繼續進入氣體移除系統，沈積在壁上 並引起許多反應器下游之操作問題。矽損失降低反應器之 轉換效率並增加操作成本。 非晶矽的產生與帶出被認爲是個問題。一般的解決方 法是利用氫或惰氣與含矽氣體之稀釋來降低非晶矽形成量 ，如 Iya 的 U.S.P· Νο·4，684，513 所述。其它方法，包含在低溫操作使得並非全部的矽烷反 應，然後 Allen的 U · S · Ρ · No· 4，868，013所述，注射氫快速降低溫度以淬火反 應器出口之矽烷分解反應。 第一個方法之缺點在於必須提供反應器額外的氣體， 除非先純化，否則此氣體極可能包含污染物。對於特定的 矽生產，反應器必須足夠大，且由於需要將稀薄氣體加熱 至反應溫度，所以能量消耗將會增加。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第二個淬火方式之缺點在於必須提供額外的氣體淬火 ，且未反應的矽烷必須處理或回收，再次增加整體製程的 成本。另一缺點是藉著淬火氣體將污染物導入反應器或者 是需要昂貴的額外純化步驟以稀薄氣體，因爲已知稀薄氣 體包含了一氧化碳，二氧化碳，碳氫化合物，氧，水。儘 管矽床頂部之上的注射氣體似乎不能污染矽，但忽略了輸 送分離高度（TDH)之效應。TDH爲數呎高且是高於 粒子可拋射並返回床之高度。通過淬火氣體，然後返回反 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ 21 _ 19541367 A7 B7 五、發明説明（） 應器並覆蓋著污染層的粒子起初被認爲是氧化的。藉著熱 動力學平衡學平衡可知，對氧而言是極爲有效的吸氣劑， 且可從水，氧，一氧化碳及二氧化碳去除。耦合與矽沈積 之多層薄氧化層的形成可捕捉氣體，如成長中的珠內之氫 。矽/矽氧化物邊界充當擴散障礙。這對於較小粒子特別 是個問題，因爲一旦氫被捕捉於珠之正中心，其爲了離開 粒子必須穿過許多擴散障礙。 矽珠的生產中遭到另一個有關粉末的問題，即爲珠伴 隨著大量的粉末。這些具有高表面積粉末粒子非常小，因 此極易傾向污染。Gautreaux在U · S · P · No· 4，883，687推薦兩種操作模式：快與慢沈積。在 快模式中，高濃度矽烷（氫中約有1 〇莫耳％)饋入反應 器，產生大量粉末依附在形成流化床之矽珠的表面上。在 慢模式中，低濃度矽烷（氫中1〜5莫耳％)饋入反應器 ，以一層多晶矽有效地密封附著的粉末，如此防止粉末從 反應器逃逸。調至沈積之慢模式降低產物矽之產量，增加 操作成本並增加來自稀薄物之污染。 經濟部中央標準局員工消費合作社印繁 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)·

Ethyl Corporation 的 Boone與 Allen分別在 EP 0377900A2 與 U.S.P· N 〇 · 5 2 4 2 6 7 1提出矽珠氫污染的問題，其中提供了一種用來移 除珠氫的分離脫氫反應器。Osaka Titanium的Kajimoto氏 等人提出另一個方法，爲了亂一目的將除氫器置於拉晶器 上。乃一失敗的話，某一部分的珠將在加熱時爆炸，引起 部分珠夾帶著液體在坩堝中噴濺。此爆玉花效是吾人所不 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ μ - ' 541367 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ---—---- 五、發明説明（) 樂於見的，而且也無法販賣具有此一現象之多晶矽，因此 需要另外除氫反應器。當然，另外準備此外反應器是昂貴 的，因爲需要提供並操作另一反應器，珠必須返回昇溫且 流化氣體必須返回昇至顯著的溫度。脫氫的溫度一般爲 850 °C〜1 100 °C。當然，在脫氫過程中珠亦有可能 遭到污染，特別是表面上。 體認到兩個現象：矽結晶與晶粒過濾，使到此領域的 先前系統之大多數問題成爲優點。首先，在A. M. Beers 氏等人所提出的論文，>CVD Silicon Structures Formed by Amorphous & Crystalline GrowthA， Journal of Crystal Grouth, 64 (1983)563-571中，顯 示了在高成長速率時，沈積溫度必須高到允許結晶跟上沈 積。由於急速結晶及2〜3 /zm / m i η之成長速率，對 於此型反應器底部是需要的，珠溫度必須無氫的情況下超 過8 0 0 °C以產生結晶成長。當溫度低於7 2 0 °C時，非 晶矽成長會包覆著氫，而介於兩者之間非晶矽成長不含氫 。在足夠高的溫度下操作沈積反應器可避免第二脫氫反應 器或裝置之需要。其次，在高溫採用流化晶粒過濾可在高 床中過濾出形成於氣相中的非晶粒子。被捕捉的非晶矽在 高於7 0 0 °C之溫度以低沈積速率與長定居時間再結晶， 而成爲多晶矽珠之不可分辨之一部分。 高溫的另一功能爲確保粒子足夠黏使得小的非晶矽粉 末粒子一旦黏著於較大床粒子就無法被移除並在床移除時 對粉末有所貢獻。此可避免多重過程相與額外裝備之需要 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐〉-23 - 541367 A7 B7 21 - 五、發明説明（） 〇 將入口區中的珠溫度保持在8 0 0 °C之上，並以下述 的新穎熱傳方法保持其溫度使得沈積在珠上之矽成爲低氫 多晶。過去的錯誤假設中：若含砂氣體分解，結晶砂將沈 積在珠上。先前系統中的珠大冷了，因爲即使容積床溫度 也在7 0 0°C左右，避免分解含矽氣體的分佈板或注射器 之冷卻在最高含矽氣體濃度的位置降至4 0 0°C〜 6 0 0 °C之間。如此低，所以氫包覆著矽且矽以非晶形式 沈積：棕色，粉末狀而非明亮，光澤，銀色。這些離開反 應器的珠必須脫氫與除屑。 關於先前系統中在低溫所使用的短床，例如poong氏 等人在U.S.P· Ν〇·4，900，411中所提 出在700 °C的48mm IDxl〇〇〇mm之高反應 器，粉末在過濾之前從床逃逸。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明的增進設計中，錐形區與貯蓄區扮演晶粒過濾 器，當非晶砂粉末與氣體向上進入反應器時，藉黏性珠捕 捉非晶矽粉末。黏性亦如下所述。由於非晶矽粉末將被捕 捉且再結晶，反應器可在高含矽氣體濃與高溫度下操作而 無需擔心反應器效率之損失。 另外提供一個處理未反應含矽氣體散失（預期量很小 )與從反應器細微非晶矽粒子損失之例行追踪，如上所述 ，主要取決於珠貯蓄與錐形區之晶粒過濾的效率。非晶矽 粉末與反應含矽氣體之濃度可受制於注射入流出管路之含 鹵素氣體，使得合成的矽-氫-阖素之比例可以管路中現 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X 297公釐）_ 24 _ 541367 A7 B7 22 - 五、發明説明（） 有的壓力與溫度蝕刻矽。此鈾刻將移除大部分或所有的非 晶矽粉末並形成鹵化氣體，例如四氯化矽，三氯矽烷，二 氯矽烷等等或其它取決於注射的含鹵素氣體之其它氣體。 注射的氣體可以是氯，氯化氫，四氯化矽或其它鹵素中的 等效物。這些氣體可例行性地通過系統再導引並再循環至 工廠之其它部位。另外，亦可以適當的技術通氣與淨化這 些氣體。含鹵素氣體之選擇一般係考量整體工廠製程整合 與質量平衡。 T e X a s I n s t r u m e n t 的 B 1 〇 c h e r 氏等人在 U · S · P ·

No · 4 ，117 ，094 提到通式（SiCj22)n2 爆炸性多聚矽氯的形成與藉著降低溫度之避免方法。藉著 矽-氯-鹵素比例與下游系統之溫度的選擇，蝕刻非晶矽 所添加之含鹵素氣體亦可避免這些多聚物的問題。藉著化 學平衡計算中之一已知物完成此計算，將氣相中 S i cp2單聚物之濃度最小化。一般，當維持急速轉時 ，溫度將控制在4 5 0 °C〜7 5 0 °C之間以增進平衡。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 提供另一個方法以控制床之下部位的反應速率，吸取 含氧材料以避免粒子上的氧化膜形成，並修正入口氣體特 性，該特性會輪流影響雷諾數R e p，例如黏滯性與密度 ，將如下所述。此方法包含注射_化含矽氣體，例如四氯 化矽或含鹵素化合物，該化合物將以低比例：0〜5入口 氣流莫耳百分比與含矽氣體形成_化含矽化合物。反應速 率受制沈積中間物之修正，例如以S i C 2取代 S i H2。反應物底部可接受S i Cj?2之產生，因爲其很 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）乂 25 一 ~~ 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 —五、發明説明（） 快地以反應中間物消耗掉且不會離開床。氫擴散屏障之形 成受阻於氣相中通過氧化矽粒子之形成吸取任何含氧材料 。這將避免在粒子上連續形成氧化矽膜，因爲氧化矽粉末 將合併成粒子而非膜。注射高分子量氣體，例如四氯化矽 ，將增加反應器中的黏滯性與密度，就流化觀點是有助益 的。 相較於矽塊，矽珠的主要好處是可以增添珠至拉晶器 。若珠爲球狀且大小相當，以正確速率連續饋送珠是容易 許多。球度與粒徑分佈（粒度）在過去未曾受到重視。珠 不傾向非常球狀並有寬的粒徑分佈。小珠比起大珠，其較 不具球狀。從珠碎屑的種晶產生球狀珠，需要一種自我修 正機構以選擇性地在床粒子的較不圓或扁圓部位上沈積矽 。當矽沈積在扁圓側，該側將變得較圓並旋轉以塗佈另外 的平間區。 此自我修正機構可藉著先前沈積區之空氣動力學理論 與知識的應用以數學方式來描述。Becker, Com. J. Chem. Eng. , 37，8 5 - 9 1 ( 1 9 5 9 )曾引述Perry的 6th，pp5- 64至5-65，特別是Table 5-21，指出粒子之自由落下朝向 乃受制於粒子雷諾數。沈積（質量轉移）記載於Zenz與 Othmer 的 ρρ467 與 p468，特別是圖 14 · 2。 利用錐形壁及其對氣體速度之後序效應與依粒子大小 之完成分離，粒子雷諾數R ep，可在反應器之內控制到 某程度。球狀粒子離開反應器是最重要的，因此，接近反 應器底部處最需要較高的雷諾數。高氣體速度’大粒子且 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 24 五、發明説明（） 濃稠氣體將增加粒子雷諾數；而非常黏滯氣體則減少雷諾 數。 含矽氣體之選擇與稀釋的量及物種將影響自我修正效 應所作用之最小粒子大小。最差的球狀珠之組合爲以氫稀 釋矽烷，特別是因爲更多的氫是由矽烷分解所產生的。在 那種情況下，反應器頂部有可能有接近1 0 0%的氫，而 且預期充分混合床可產生非常非球狀小珠混合著較球狀大 珠。爲獲得較具球狀的產物，從底區分離出小粒子並選擇 操作參數使得粒子雷諾數在高沈積區域中介於5·5〜 2 0 0之間是重要。具有上述資訊之此系統設計係直接從 該領域之已知技術推導出來的。 材料變黏稠的溫度稱爲坦曼溫度，大約是絕對熔點之 5 2%。對熔點爲1 4 1 0°C之矽而言，坦曼溫度大約爲 6 0 2 °C，即，落在大多數矽沈積專利所顯示的最低溫度 範圍內。在這些溫度，矽沈積爲黏稠的。 由於矽可還原金屬氧化物，任何形成於金屬上的矽沈 積將於底層金屬氧化物反應以形成矽氧化物（二氧化矽） 與金屬。金屬可擴散通過二氧化矽進入矽以形成矽化物， 其輪流擴散通過矽。因此矽與底層表面形成非常強的化學 鍵並允許金屬移動。 萬一粒子以足以使彼此彈跳的速度停止移動，將會產 生床中粒子膠合與分佈器阻塞之效應。而且，附著反應器 之黏稠性物質將覆蓋床內部。固態矽壁沈積固著於壁形成 於矽流體床反應器，當冷卻時傾向破壞壁或若採用強於矽 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） - 27 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 — 2^5~' —-—- 五、發明説明（） 之金屬壁，矽將碎裂，夾帶著金屬污染。 由於非常低的金屬規格，數量級爲1 〇 P P t (兆分 之一），對於高純度矽沈積是個問題。污染壁沈積的形成 與高溫度及鹵化氣體之使用抵觸了建藥反應器與相關的閥 門與管路之標準化學反應工業金屬技術之成功使用。Ling 在U · S · P · No · 3 ， 01 2 ， 86 1 與 Ingle氏 等在U.S.P· Νο·4，416，913推薦使用 高純度石英當做反應器材料。石英的優點不僅在純度且氧 化矽，所以任何石英的污染可添加矽與氧而非金屬。氧的 電流規格低P pm範圍之內。所有矽之表面上，氧以固有 的氧化物形態出現，特別是在曝露於空氣之表面上。其它 來自熱裂解碳業之建設材料爲石墨之改變，例如覆蓋著石 墨的碳化矽或燒結碳化矽，兩者皆遭遇到類似的污染移動 問題。 先前系統之主要問題爲分佈器之阻塞，減低床之能力 且在修理或更換期間關閉，經常會破壞反應器。解決此一 問題之努力包括Iya在U · S · Ρ · No· 4，684，513與？〇〇112氏等人在11-5·?· No · 4，900，41 1中所提出之冷卻分佈器。類似 的問題爲反應器壁上矽沈積，Setty氏等人在U · S · P • No · 3，963，838中的溫度循環與Poong氏 等人在U.S.P· Ν〇·4，900，411中的壁 冷卻注意到此問題。這些努力導致反應器系統之顯著的熱 無效率及對相同的多矽產量需要顯著較大（四倍）微波產 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）-28 _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ,26、五、發明説明（） 生器。 一般，在流化床中，汽泡形成在噴射或埋入噴射尖端 處，然後這些汽泡在埋入噴射之上的區域中形成汽泡流化 床，若此區域設計用來確保氣泡之形成。這些技術對於熟 習此道及涉及最小流化速度U „^的計算者乃已知。若速度 超過，粒子將傾向以集團移動，且乃一速度足以超過最小 流化速度，粒子將不會彼此黏在一起。 本發明之反應器內無需任何種類的內部裝置，因此， 沒有機會在此內部裝置上沈積。例如，沒有粒子支撐分佈 板，其上可沈積矽或開始成長多種膠合，所以藉其後序之 熱低效率無需在此板上冷卻。含矽氣體在反應器底部單一 噴嘴處進入床。因此，可利用多種加熱系統提供此反應器 所需的熱。 如先前Iya在U.S.P· No· 4，6 8 4，5 1 3 ll Poong氏等人在11.3·?· No · 4，900，41 1中所提，需要加熱種晶與床粒 子至高於反應器壁之溫度以減少壁沈積。Iya與Poong氏等 人藉著加熱床然後主動冷卻壁達成此一目的。以熱矽珠在 接近冷入口噴射之介面處提供許多熱量可以很方便地將床 加熱至高於壁之溫度。此集中反應器底部中的熱，爲了加 熱反應器之操作溫度，此處進入氣體需要較大之熱需求^ 珠快速地加熱進入氣體，但本身冷卻了_且必須再加熱。需 要儘可能接近噴射再加熱珠以保持噴射區域之高珠溫度， 該區域中含矽氣體濃度最高而且發生大多數的分解與沈積 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ μ 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 Z7五、發明説明（） 。在含矽氣體接觸熱珠將氣體入口中的壁沈積最小化之前 ，避免進入的含矽氣體過熱是重要的。 先前專利曾以微波與壁之主動冷卻來獲得通過矽壁沈 積的微波貫穿，但冷卻導致能量之低效率使用。當溫度上 昇時，企圖減少冷卻導致高壁溫度之空載狀況並藉著壁沈 積造成較大的微波能量吸收，導致壁溫度進一步增加及壁 厚度增加，壁厚度增加是因爲接近壁的反應速率增加。此 現象是當矽的電導性隨著溫度增加而增加時，通過壁沈積 之微波能量貫穿減少而引起在較高溫度有較高的吸收。 本發明的創新之處在於將所需能量向上注射通過氣體 入口至反應器，如此加熱珠就不會使含矽氣體過熱。藉著 電磁能的聚焦光線可達成此一目的，該電磁能之頻率分佈 對使得含矽氣體對大部份能量而言是透明的，但矽珠有效 地吸收能量。含矽氣體之光譜與多晶矽是已知的或是可測 量，所以當能量被矽珠吸收時，可避免氣體吸收的頻率。 例如，以1 0 · 6微米發射之二氧化碳（C 0 2 )雷射可 用於三氯矽烷反應器而非矽烷反應器，因爲矽烷吸收了此 頻率之電磁能。以1 · 064微米發射的銨釔鋁金鋼砂（ Nd : YAG)雷射可用於三氯矽烷或矽烷反應器中。儘 管雷射易於導引且頻率分佈窄，但其操作與購買昂貴，無 效率。另一方法是使用一個以上的高強度石英一鹵素或具 有適當反射器，濾光器及透鏡之氙燈。一般，這些東西具 有高效率（2 5〜40%)且不貴，但壽命短，大約 4 0 0〜1 0 〇 〇小時。因此，此一配置需要可經常性使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）一 go - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 A7 B7 五、發明説明（） 用而不中斷操作的燈。 藉著矽烷或矽珠與氯或氯化氫之化學反應，矽烷可提 供熱量。大約2 · 5%的矽烷流量將與氯反應以提供足夠 熱量加熱矽烷從4 0 0°C〜8 5 0 °C。鹵化矽化合物的添 加將有關於反應速率與氣體黏滯性之處討論。保持注射器 管尖端清潔以增加電磁能並防止靠近含矽氣體入口之壁沈 積成長是有助益的。如此，添加鹵元素可提供另一個提供 反應熱之好處^ 此外，反應器中的氣體與珠之溫度相同，所以唯一的 熱需求是通過反應器壁補償熱損失。可藉由任何方便的來 源提供此一熱需求，一般同提供起始加熱者。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一旦察覺到反應器之內不同的循環模式，熱的分佈可 以習知技術來設計。傳統的流化床中，混合使得區域加熱 困難。本發明中，只有一個以上的區域就可以提供熱以建 立最佳化反應器表現所需之熱量。因此，無需先前系統之 高能量障礙亦可建立溫度梯度。利用透過雙重壁結構之> 空氣間隙#可明顯地降低壁之熱損失，並利用熱絕緣，例 如矽/二氧化矽纖維，該纖維對微波是透明的但對熱傳導 提供高阻抗，即，低熱傳導性可明顯地降低壁之熱損失。 雙重壁與絕緣之組合是需要，因爲絕緣是污染物來源，例 如鈉會通過石英。使用雙重壁可使氣體之清除流動將鈉與 其它污染物掃除出間隙。橫越空氣間隙之溫度亦降低了絕 緣之尖峰溫度，然後降低了絕緣本身中的污染物之蒸氣相 濃度與蒸氣壓β 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格^ 210X297公釐）一 __ 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 ^— - —五、發明説明（） 如Poong氏等人所述，允許反應器壁之主動冷卻，如 此提供一個橫越壁之較大溫度曲線。由於壁上矽沈積相關 於床與壁之間的溫度差是已知的，在控制矽沈積之厚度與 濃度梯度及前述之流化狀態時，此冷卻是需要的。反應器 底部處的含矽物種濃度高，相對的冷卻壁減少了沈積在某 區域矽壁之厚度，否則該區很可能變厚。 對於熟習熱傳技術者可採用介於反應器壁與外壁或護 罩之間的上述清除氣流以產生壁所需的溫度曲線。Iya與 Poong氏等人建議主動冷卻壁以避免任何矽沈積的產生， 但相對於壁絕緣與避免主動冷卻所獲得者，此導致了極高 能量輸出。另外，由於流化床所造成的壁腐蝕將導致壁材 料而非矽之腐蝕並將導致產物之污染。壁上矽層在高純度 矽珠與反應器壁之間提供了高純度障礙，儘管高純度物質 並非珠的高純度矽或壁沈積且將含有可能對產物有害之雜 質。如此，需要薄矽壁充當反應器壁之障礙。利用含鹵素 氣體蝕刻壁沈積以冷卻反應器而無裂痕。 另一個減少壁沈積之方法是保持含矽物質離開壁並減 少從床之壁之熱傳。入口區中，噴射引起了循環，壁受到 向下移動之珠幕的保護。錐形區中，床在汽泡模式中操作 ，其中汽泡之直徑小於反應器之直徑。在上珠貯蓄區中， 爲了在低矽沈積速率及相當高腐蝕區域中形成保護矽壁沈 積，緩慢狀況被允許。 在一般的關閉模式中，含矽氣體濃度及床高將逐漸降 低且受到流化氣體之增加流量補償。含矽氣流（本身是許 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 32 _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 A7 ____B7 五、發明説明（3Q) 多含氧物種之有效吸氣劑）切斷之前，爲了避免破裂在冷 卻之前，如前所述，注射含鹵素物質。此技術確保氧氣除 氣氣體總是存在反應器內部。避免氧化膜使得反應器內部 產生較快之矽壁沈積之蝕刻並反應器內部二氧化矽之細絲 束之形成，這必須在重新起動反應器之前移除。 基於某些原因，在這情況下，此方法不可實行，但可 採用另一方法，其中，在撤離產物物質之後，另一矽床或 其它物質可置於放應器中。然後此床用來攪動並磨損形成 在矽壁沈積之氧化矽層。後者並非較好，但在不打算關閉 且含齒素物質無法適時注射的場合中是可行的。 先前系統之另一問題是無法從反應器重獲足夠的熱量 以加熱進入氣體至入口溫度，一般是3 5 0 °C〜4 5 0°C 。此熱還原可降低加熱與冷卻需求並降低操作成本。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當大產物珠被移除時，有一冷卻的方法，該方法利用 珠中熱量預熱進入含矽氣體，如此減少過程中所需的整體 能量。使用位於反應器入口周圍之環狀熱交換器可實行此 技術β詳言之，帶著含矽氣體之中央注射器置於反應器入 口噴嘴內部。在環繞著中央管之環狀部中有珠流連續被移 除以避免珠之附著或膠合並將熱傳移至進入含矽氣體。 特別是，當允許從外出珠熱傳至含矽氣體時，入口含 矽氣體噴嘴之設計對防止噴嘴內之矽沈積是非常重要。噴 嘴之設計可採用雙重壁結構，例如是真空或背填惰氣之間 隙，可減少從外側珠通過壁進入含矽氣體之熱通量。此舉 應該保內壁溫度低於含矽氣體之分解溫度，如此可防止入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐^ " -33 - 541367 A7 B7 五、發明説明（31) 口管內的矽壁沈積。對含矽氣體而言，熱分解之溫度範圍 介於4 0 0°C〜6 0 0°C之間。從熱傳的觀點’壁溫度最 好儘可能的高而不招致沈積。最方便的配置是改變A空氣 "間隙之距離。交換器頂部的a空氣"間隙較大’來自外 側較熱珠之熱傳是緩慢的，所以內壁溫度可維持不變’如 此使得至含矽氣體的熱傳最大化並使得珠的冷卻最大化而 不起始壁上沈積。 當珠冷卻至約5 0 0 °C時，最好在一段長度中斷雙重 壁法，如此允許較繼續採用雙重壁快之熱傳速率。設計一 個沒有熱交換器的反應器或設計反應器無需使用較大間隙 與長時間使用間隙來冷卻珠是可行的。若另外的反應步驟 需要在沈積反應器之下，其中珠溫度需要維持在相當高的 溫度。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 維持系統整體能量效率之另一設計爲以來自反應器頂 部出走氣體預熱進入含矽氣體。使用出走氣流需要較大表 面積熱交換器，所以將其設計爲反應器之一體部分並不特 別實際。因此，由於高溫度，進入反應器之含矽氣體溫度 必須較高在密封入口接件時會有困難。此設計最適於含矽 氣體，其中產物珠的熱含量不足以將入口溫度昇至所需的 溫度。 反應器之下另有一製程，在需要改變珠外觀及/或純 度時。提供另外反應步驟。介於上反應器與下產物完成室 之間的通道充當下導管使珠以穩定速率落至下室。 利用壓力平衡，可將其空氣饋入下室，然後無需使大 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 〇』 -〇4 - 541367 A7 B7 五、發明説明（32) 量其它氣體進入反應室而將其通氣。此步驟可用於最終的 氫移除，蝕刻珠以降低移至表面之雜質，再結晶珠之內結 構，或將珠維持在較高溫度一段長時而退火0 爲使珠從反應器連續移除並封裝在分離的容器，需要 裝設除氣器與珠分離器。除氣器有兩功用：在封裝之前從 珠流移除反應器氣體，且其控制離開反應器之珠流。藉反 應器底部之熱交換器冷卻的珠在濃稠相中流出熱交器而進 入除氣器。從固定床進入除氣器的珠被用來使珠順利流動 而無死區產生。除氣壁與珠分流器應該由非污染材料所製 。非含矽氣體以脈衝形式進入除氣器之氣孔，其量，持久 性及頻率使得指定量的珠進入後序垂直除氣器管或進入珠 分流器。因爲珠向下移動除氣器，當珠落經來自珠分流器 之分離惰氣流時反應器氣體被惰氣取代並從除氣器頂部向 外通氣。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 在垂直除氣器管中最適量測珠流及線上粒子大小且任 何表面處理皆有效。可採用固態流動量測法，例如稱反應 器之單元重及轉移容器，採用圓柱形轉移容器之刻度的體 積量測，微波位準或超音波位準。藉著非接觸光學方法， 利用石英壁之透明性可使線上粒子大小分析極易完成。利 用高強度光或雷射之表面處理使表面光滑與圓化亦爲非接 觸，再次利用石英壁之透明性。 . 珠分流器接收氣流中的矽珠，該氣流包含任何朝向垂 直或接近垂直管之反應器氣體與接近管底部所導入脫除惰 氣。珠以濃稠或稀薄相之形式落經惰氣，有效地脫除來自 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） _ 35 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _ B7五、發明説明（33) 珠之任何殘留反應器氣體，落在管底部處之一小槽矽珠上 。從垂直管底部散射出的多個其它管朝向用來接收矽珠之 容器。除了填充，促使珠移動至其目的地之容器管外，惰 氣導入所有的輻射管。 短暫的輻射分流之後，珠再次通過一個以上的氣體清 除閥門落經垂直或接近垂直管。其它輻射管上的閥門可以 關閉不傳遞矽珠；若不需隔離氣體，情氣亦可通過閥門。 珠在惰氣環境下繼續進入接收容器直到容器到達可接受之 填充位準，氣體通過一個受壓力或流量控制之通風口流出 。到達填充位準時，惰氣流量增加且通風口關閉而另一容 器同時或幾乎同時打開以將珠流從第一容器分流至第二容 器。短暫時間之後，殘餘珠從垂直管落出，氣體清除閥門 關閉而清除速率增加以維持內部壓力，使得容器可分離並 輸送至另一位置。 因此，本發明之主要目的是提供低成本，有效率，流 化床反應器系以生產晶粒狀的高純度多晶矽，其中的產物 珠均勻大，光亮，圓形而且無氫，粉末及其它污染物。過 程中，種晶粒子並未添加至床，但在床內產生不受污染。 此外，大粒子之分離在濃稠相中發生在床本身。 本發明之另一主要目的是併入非晶矽，當避免氫之併 入時，藉再結晶通過均質氣相反應產生多晶矽產物，如此 ，將進入反應器設計之氫移除與避免對第二除氫反應器或 裝置之需要合爲一體。此外，本發明提供了從反應器移除 產物矽而不污染該產物之方法。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）> -36 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（34) 本發明之其它目的爲減少非含矽氣體之添加，提供一 個消除關於分佈板凝結而不冷卻該分佈之反應器系統，且 在產物珠中產生窄的粒子大小範圍。另一目的在於避免下 游管路與儀器之阻塞並回復大部分用於預熱進入氣體之熱 量。 本發明之另一目的爲避免反應器之內的內部結構位移 ，該反應器傾向含矽材料之沈積且處理或移除此矽沈積， 因其可能形成形以避免反應器之碎裂。 綜上所述，本發明關於一種裝置與製造大的，均勻， 圓的，高純度多晶矽珠之方法β反應器係由高純度含矽材 料，例如石英所製並由二或三區所界定：入口區與垂直配 置的珠貯蓄區。某些實施例中，第三錐形區位於兩者之間 。環繞著反應器之護罩充當污染與熱障礙。入口之高度相 同於反應器之直徑且入口含矽氣體所形成之噴射進入反應 器底部之入口。錐形區高度約爲入口區之二或三倍，需要 達成依大小之珠分離。珠貯蓄區體積至少爲下兩區之三至 五倍。 雖然某些功能主要發生在特定的區域，反應器之功用 爲整合的。當噴射磨許入口區中的某些大珠以形成種晶材 料，該區提供了內部種晶產生，然後向上移動經過反應器 至其它兩個區域。（取決於反應器之操作，另一區的珠中 或反應器壁與珠之間的接觸亦有磨碎作用產生）。對於當 小珠與氣體具有負速度曲線的錐形區促使濃稠區中的內分 離藉著大的平均粒子直徑與窄的粒子大小分佈而收獲矽珠 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210/297公釐1 ' — -37 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -^9·. 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（36) 附圖簡述 圖1爲用於矽生產之流化床反應器的垂直，截面示意 圖。 圖2本發明之反應器的垂直，截面示意圖^ 圖3爲沿著圖6之線3 — 3的截面圖。 圖4爲沿著圖2之線4一4的截面圖。 圖5爲沿著圖2之線5 — 5的截面圖。 圖6爲圖2具有一體成形之熱交換器的珠出口，氣體 注射器，入口區之放大垂直，截面示意圖，珠出口的錐角 A介於0°〜65°之間。 圖7爲圖2去除熱交換器的珠出口，氣體注射器，入 口區之放大垂直，截面示意圖，珠出口的錐角A介於0° 〜6 5 °C之間。 圖8爲具有珠除氣器，粒子測量與處理系統，珠分流 器總成，淨珠分流器閥門及可移動貯蓄容器之珠移除系統 的垂直示意圖。 圖9爲淨珠分流器閥門之垂直，截面示意圖。 圖1 0爲線上粒子測量系統之垂直，截面示意圖。 圖1 1爲具有加熱產物珠表面之高強度光源的粒子處 理系統之垂直，截面示意圖。 圖1 2爲從稀薄和/或惰氣移除氧化化合物之系統示 意圖。 圖13爲反應器之粒子大小與截面直徑對反應器高度 的曲線圖。 本紙張尺度適用^國國家標準（€泌）八4規格（210父297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -39 - 541367 A7 B7 五、發明説明（38) 離開噴嘴2 2的流體噴射引起紊流目分離室1 5中某些矽 產物粒子移動使得彼此衝撞並藉以粉碎成矽之小的種晶大 小粒子。向上流動氣體1 6將已產生的種晶大小矽粒子向 上輸送並通過進料斗分離器1 5進入流化床1 3。來自噴 嘴2 2的流體噴射造成進料斗分離器1 5中之增大產物粒 子藉著彼此的磨碎並粉碎成種晶大小矽粒子。此技術消除 了任何的產物之處理並直接在流化床之下產生所需的種晶 大小材料。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此流體噴射矽種晶粒子產生器之操作最好採用週期方 式。即，流體噴射種晶產生器可以反應器操作時間的一部 分來操作，例如一刻至一小時以產生反應器中的流化床之 種晶大小粒子。然後，反應器可以操作具有所有懸浮材料 之粒子大小的此種晶材料增加並藉此產生適用以產物14 而移除之較大粒子。產物材料可移除而另一批種晶材料產 生。矽珠熱解反應器本身可以具有產物之週期移除及種_晶 之週期產生的連續模式來操作雖非最佳，對流體噴射產生 器而言，連續操作以連續產生某些種晶材料是可能的。然 而，就移除矽產物粒子1 4所產生之干擾的觀點而言，此 連續操作非不吸引人。最好是，流體噴射操作一短暫時間 以產生某些微波。這些微波將流化並在流化床區中成長， 產生較大之粒子。某些較大已產生的粒子將以產物移除， 然後種晶材料將再次產生。 流化床之內的氣體速度一般與粒子直徑與氣體的性質 已知項最小流化速度有關’而且反應器之內的速度一般爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 541367 A7 B7 五、發明説明（39) 最小流化的2倍至6倍之間。在這些高位準流動及2至6 倍的最小流化之操作一般需要預防粒子膠合及粒子支撐板 2 6的阻塞，此爲影響反應器連續操作的嚴重問題。粒子 支撐板的阻塞特別令人困擾，因爲其終究阻塞了整個反應 器並形成了一個極難移除之大矽沈積。對大多數以高純度 材料所建造之反應器而言，例如石英或碳化矽，此阻塞可 在反應器冷卻時，使其破碎。 . 移除管2 4或進料斗分離室1 5可設計成提供一相對 氣流，該氣流可防止來自反應器之含矽材料之存在，反應 器混有離開中之粒子並企圖將較大粒子從較小粒子分離。 先前對此的企圖取決於移除管中的分離，有時稱爲進料。 此移除取決於小與大粒子間的沈積速度差異。然而，流化 床之特徵爲粒子呈現整體的表現而非個體，因此，除非使 用極大量氣體使得粒子實質上彼此依附，否則極難以此法 獲得分離。大量使用此氣體需再循環純氫，但純化與再循 環用的設備昂貴且易於污染。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖2〜7顯示本發明之基本反應器系統。該系統包含 反應器閥門1 0 1 ，護罩1 27及外密封系統1 1 〇。反 應器容器的壁1 1 1界定了具有數區以包含矽珠1 〇 2床 的室1 03。圖示的實施例中，包含了入口區1 1 6 ，錐 形區118，貯蓄區120及分離區122。圖示的錐形 區1 1 8與貯蓄區1 2 0爲此處稱爲上區之一部分。外密 封系統1 1 0提供免於接觸熱表面之人員保護措施’對反 應器與加熱系統而言是隔離外界環境的第三密封裝置護罩 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) -42 - 541367 A7 B7 五、發明説明（4〇) 2 7充當加熱系統之間的污染阻礙以隔離反應器並充當第 二防漏裝置，石一反應器壁111破裂時。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明的反應器有一加熱系統可將床1 0 2加熱至操 作溫度，通過反應器壁1 1 1補償熱損失，並提供熱與進 ，入氣體1 1 3 ，1 1 5，143使其到操作溫度。室內的 珠需要維持至少5 0 0°C的操作溫度，足以使矽從含矽氣 體沈積至珠上。從下述的討論可看出熱源與其目的，位置 ’反應器的製造材料。圖示反應器加熱系統包括：噴射加 熱裝置141 ，143與壁加熱系統128，129。熱 輸入的特定位置爲反應器壁111與氣體入口管131所 界定的氣體入口通道1 3 0，通道1 3 0的位置可經由位 在管1 3 1頂部的流化入口 1 0 4將含矽氣體送入反應器 〇 採用噴射加熱裝置1 4 1及/或1 4 3可增加建造反 應器之材料。在無噴射加熱裝置的系統中，壁加熱系統必 須對進入氣體提供所有的反應熱，導致更大的熱通量’較 高的壁溫度，及當除垢反應器時，更厚的矽壁沈澱。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 藉由圖2及5所示之低成本，可靠的電阻加熱器 1 2 9可輕易造成起始加熱床並補償熱損失的目的。其優 點爲對起動動力僅需低資金成本而對低操作成本卻有大收 益。 反應器之底部需要反應熱。當入口區116中的珠在 矽沈積於珠之期間維持在7 〇 〇°C〜1 2 0 0 °C以降低珠 之氫成分並促進珠之多晶結構時，可獲得最佳結果。由於 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（ 210 X 297公釐） ~一 -43 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（41) 壁之溫度高，通過此區域中的壁之電阻加熱並非好的選擇 ，而微波或紅外線熱源2 8及噴射加熱裝置1 4 1與/或 143才是好的選擇。通過壁111的微波加熱128也 許需要位在反應器底部處之入口區116中的壁111之 活動冷卻以達成進入床之所需貫穿，但在局部區域中也許 符合成本效益β紅外線加熱不若微波加熱一般可貫穿床， 但較不複雜亦不昂貴。微波與紅外線加熱在任何指定地點 皆互斥。噴射加熱爲佳，因爲熱注射於反應器中心，但也 許昂費而無法建造並操作。如圖2與4所示之實施例，微 波或紅外線加熱裝置1 2 8與噴射加熱裝置1 4 1 ， 1 4 3兩者或任一者可同時操作。如圖4所示之微波區系 統，密封系統1 1 0之護罩1 2 7與外金屬殼之間的整個 空穴1 1 2可充滿絕緣體1 4 0。此絕緣體對微波而言， 實際上應爲透明的。已知由氧化鋁與二氧化矽混合物所製 之絕緣體可適用於此目的。密封系統1 1 0，特別是入口 區1 1 6中的，亦可活動性冷卻，如同加上水套一般。 如圖5所示，上區118，120中，電阻加熱器係 直接緊鄰於護套1 2 7，其絕緣體1 4 0介於加熱器與外 殼1 1 0之間β上區1 1 8，1 20應該篩選，成形並加 熱，如此將珠維持在溫度介於7 0 0°C〜1 2 0 0 °C之間 的區域中1〜2 4小時以降低珠之氫成分並促進珠之整個 多晶結構。最好的方法是：在上區118，120採用電 阻加熱器1 2 9與噴射加熱裝置1 4 1與1 4 3之最佳形 狀，入口區1 1 6則採用來自微波源1 2 8之微波。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一 44 一 541367 A7 __B7 五、發明説明（44) 當這些熱珠混入相當冷的進入含矽氣體時，範圍由鄰 近溫度至4 5 0°C，含矽氣體擴散至熱珠表面，其分解， 熱氫與某些熱矽蒸氣離開表面而某些矽留在表面上。此過 程使得珠變冷，變大且消耗含矽氣體。當含矽氣體進一步 進行至噴嘴或噴射1 1 7，其逐漸變熱直到在噴嘴末端之 前將所有含矽氣體轉換成矽，可沈積在珠上或形成非晶矽 粒子。這些小粒子上升至區1 1 6，1 1 8中的床，進入 汽泡1 1 9及區1 1 8的空乏空間。在噴射1 1 7頂部， 藉著入口含矽氣體，大多數的珠已混入並冷卻，離開噴射 1 1 7並向下返回介於噴射1 1 7側與壁1 1 1之間的區 1 1 6中的乳劑。對氫的向外擴散而言，矽/矽氧化物邊 界充當擴散障礙。這對於較小粒子特別是個問題，因爲一 旦氫被捕捉於珠之正中心，其爲了離開粒子必須穿過許多 擴散障礙β 矽珠的生產中遭到另一個有關粉末的問題，即爲珠伴 隨著大量的粉末。這些粉末粒子具有高表面積非常小，因 此極易傾向污在U · S · Ρ · No· 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4，883，687推薦兩種操作模式：快與慢沈積。在 快模式中，高濃度矽珠（氫中約有1 0莫耳％)饋入反應 器，產生大量粉末依附在形成流化床之矽珠的表面上。在 慢模式中，低濃度矽珠（氫中1〜5莫耳％)饋入反應器 ，以一層多晶矽有效地密封附著的粉末，如此防止粉末從 反應器逃逸。某些珠通過位在反應室1 0 1底部處之出口 1 07離開。出口 1 07連接於圍繞噴射1 1 7並連接至 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 -47 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 _五、發明説明（48) 化量，中心管1 3 1之壁厚的選擇並提供如圖3所示之多 種熱轉移障礙。建造入口管總成可形成一連串之阻礙以產 生若干同心管，如管1 3 2 ’ 1 3 4 ’其間之間隙可用來 減少間隙之間或間隙與層間之熱轉移。這些熱傳調節技術 對圖6之整體熱交換系統是有助益的，但對圖7之分離系 統並非需要》 圖7所示之實施例在入口氣體113與已分離的離開 珠之間存在有熱傳。氣體入口管1 3 5與珠撤離管1 1 4 可爲錐形。實施例中，利用反應器之預熱器上游將入口氣 體113整個加熱至反應器入口溫度。另外入口氣體 1 1 5，1 4 3亦可以圖6之整體熱交換實施例或圖7之 分離熱交換實施例預熱。珠必須藉珠撤離管1 1 4冷卻至 安全操作溫度，因爲其不再加熱入口氣體。入口含矽氣體 1 1. 3可以任何熱源加熱，只要壁溫度和bu 1 k溫度皆不超 過含矽氣體之分離溫度。 氣流1 1 5保持如圖7中的小氣體淨化以爲插入淨化 間隙1 3 3 ，而非淨化圖6中的珠。間隙1 3 3有若干目 的：反應器與氣體注射器之間的熱解，且若不同的建構材 料用於反應器與注射器，其爲膨脹間隙。淨化氣體1 1 5 可爲稀薄或含_素氣體。 如圖7所示，珠撤離管1 4在頂部可爲錐形，藉著對 珠逆流之流化氣體產生珠之進一步分離。圖6之整體熱交 換實施例，管1 3 5爲錐形。氣體注射入圖8所示的珠移 除過程並可以氣流2 0 1或氣流2 0 2注射。氣流最好是 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 541367 Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（49) 氫。此實施例中，圖8中所示的環狀物以圖7中所示的簡 單撤離管取代。珠在熱交換器1 3 8中冷卻，該交換器可 採用氣體或液體達成冷卻目的。 需要的話，氣體入口通道1 3 0亦可爲錐形。錐形的 優點爲降低壓力差並增進進入反應室的光能傳輸。採用錐 形注射器可使窗口 1 4 2大於光束1 4 1，減少來自窗口 邊緣效應的散射。 當注射氣體時，入口區1 1 6的內容之特徵最好爲埋 入噴射床。當氣體離開噴射1 1 7頂部，其亦離開反應器 之入口區1 1 6。然後氣體進入包含錐形區1 1 8與圖示 實施例之貯蓄區1 2 0並位在入口區1 1 6之上的上區。 當注射氣體時，上區118，120的內容之特徵最好是 汽泡流化床。 圖2顯示包含了位在入口區116正上方之錐形區 1 1 8的構造。圖示的錐形區1 1 8具有單一錐角，縱然 不足一個錐角可具有以高度之函數而連續變化之錐角β錐 形區之上有圓柱狀的珠貯蓄區1 2 0。須注意：上區 180，120可包含單一圓柱形區間；此反應器可有效 地沈積矽，但無法分離粒子及其中至少一部分上區爲錐形 反應器。使用錐形區間，如錐形區1 1 8將導致具有較窄 粒子大小分佈之產物。亦可採用沿著整個高度方向呈現錐 形之上區1 1 8，1 20 ;但避免反應器具有不當之大的 最大直徑，最好至少上區之一部分爲圓狀形，如圖2所示 的貯蓄區。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -52 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（5Q) 混入錐形區118之汽泡119包含了產生於入口噴 射1 1 7之種晶粒子的一部分與非晶矽粒子的大部分。當 這些汽泡移進錐形區1 1 8，在較大珠通過汽泡乳劑 1 2 1從汽泡1 1 9行進至汽泡1 1 9時，細微非晶矽藉 其傾向錐形。因此，汽泡間留些空間並維持溫度，使上區 1 1 8，1 2 0充當細微非晶粒子之晶粒過濾裝置是有助 益的。 藉著床粒子，較大種晶粒子亦可成爲錐形，但一般傾 向圓化（bounce off)大粒子，假設該區中的粒子有充分 的擾動。任何情況中，床粒子的擾動與運動需要提供保護 措施以防止可能發生在床中任何死區中的粒子膠合。 當汽泡1 1 9向上行進至錐形區1 1 8，其提供珠擾 動。此擾動有助於藉著大小的珠分類，使得較大珠傾向向 下移動至容器錐形區間底部而較小珠傾向向上移動至錐形 區間。此區域中的汽泡最好藉著反應器管維度之控制而維 持小於反應器直徑。當錐形區間愈接近圓柱狀區間，錐形 可改變且汽泡可變大，如與床1 2 1或室1 0 3之直徑大 小相當，皆爲相同直徑。就細微非晶矽粒子之過濾與提供 充分擾動以防止床粒子之膠化的觀點而言，速度與汽泡大 小之選擇爲效率之間的妥協。 一旦汽泡1 1 9變得和室1 03 —樣寬，床1 02進 入洗滌模式，該模式下床1 0 2之尖端區間完整地被舉起 ，且氣體突破並持續向上挺進床1 0 2。此導致過濾機構 之分流且引起整體過濾效率之下降，但一般可以避免，特 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -53 - 541367 A7 B7 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（51) 別是在錐形區118,該處 區11 8與珠貯蓄區120 粒過濾裝置之床，反應器形 。形狀的改變亦改變流化的 的床10 2充分混合。改變 子大小控制及矽壁沈積的維 儘管反應器壁1 1 1將 污染產物，因此對整體反應 由於壁與壁沈積之間熱膨脹 防反應器的破裂，特別是冷 黏性層或塗層，在導入含矽 1 1 1之內側表面上，以防 料上。滑動試劑附著但不緊 。因爲矽非常黏，所以試劑 滑動試劑層之剪應力強度必 1 1 1受到溫度改變所產生 壁與矽壁沈積之熱膨脹係數 保持粉末狀，可達此目的。 藉由具有高於操作溫度 末可達到這些持徵。藉著其 器系統操作期間沈積層之溫 由於純度與便利性，二氧化 可藉著氧化或水解加熱反應 分割的二氧化矽層。本發明 的有效過濾更爲重要。在錐形 之間的轉變時，亦包含充當晶 狀需要改變使得該床爲圓柱形 模式，而非粒子的分離，粒子 的好處有三=低資金成本，粒 以高純度物體製造，其仍傾向 器而言，需要維護矽壁沈積。 不同，所以滑動試劑可用來預 卻反應器時。滑動試劑爲不具 氣體之前沈積在反應器的壁 止隨後的矽壁沈積黏著在壁材 密地黏著在反應器壁或其自身 可能附著或黏著在壁沈積上。 須低於反應器壁，使其在壁 之應力之前破裂，假設反應器 不同。避免燒結，將滑動試劑 之坦曼溫度的任何細微分割粉 熔點之絕對溫度兩倍於在反應 度的粉末可獲得最好的結果。 矽爲最佳材料。在起動之前， 器內部之含矽氣體以沈積細微 中，中央管用來導入含矽氣體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 54 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（53) 床的粒子。本發明的裝置中，幾乎沒有矽從反應器帶出， 所以可見於其它流化床之反應器內的漩流並不需要。外漩 流或氣體分離器（未顯示，但在圖示氣體出口管1 4 2之 下游處）是可能產生床翻轉或翻攪，特別是在起動時。 有一小部份細微非晶矽粉不會在床中錐形化且通過氣 體出口管1 2 4往上行進並進入下游管路。蝕刻氣體產生 設在管路1 2 4中的額外入口 1 2 3或反應器1 0 1之頂 部。蝕刻氣體用來抑制無過濾器之反應器系統下游處的矽 鹵聚合物或矽沈積。蝕刻氣體消化來自床的非晶矽粒子並 與任何未反應之含矽氣體反應以產生氣態鹵化物種。蝕刻 氣體1 2 3的入口 一般位在分離區之上，因其特徵在輸送 分離高度（TDH)，如此氣體不會接觸到返回床的粒子 ，特別是處理從蝕刻氣體至床的污染物β 爲了便利，大多數設施中，氣體透過頂口 1 2 4再循 環至產生並純化含矽氣體的工廠之另一部分。如此，最好 在相容其它含矽氣體操作過程之反應器頂部使用蝕刻氣體 12 3° 從錐形區1 1 8至入口區1 1 6的轉變之設計可避免 已知的死區。此死區發生在噴射1 1 7項部與形成在噴射 頂部的汽泡1 1 9之間的轉變點。如圖2，6與7所示具 有橢圓形入口區1 1 6提供了低的表面積/體積比值。此 形狀被認爲是最好的，其可與其它形狀一起操作而無需改 變珠的循環或入口區1 6的效率，因其形狀主要依據入口 噴射1 1 7之操作。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -56 - 541367 A7 B7 五、發明説明（55) 下降至珠撤離管2 1 9之基座，然後藉著重力繼續向下行 進至第一傾斜轉移管2 2 2，最好是在非流化的狀況中。 在管2 2 2的基座處，珠向下落至支撐一小床珠的小杯 2 2 3中。因爲下降中的珠落至床上，所以儀器受到保護 以防磨損並防止珠受到污染。 在第一階段，除氣氣體2 0 2透過管2 2 5傳遞至另 一縫224。氣體202通過縫224並推動珠向上至轉 移管2 2 6。藉著重力珠再次使第二傾斜轉移管2 3 0至 第二階段之除氣器。在管2 3 0的基座處，珠落至支撐一 小床珠的小杯2 3 1中。在第二階段，除氣氣流2 0 4透 過縫2 3 2傳遞至縫2 3 2。氣體2 04通過縫2 3 2並 推動珠向上至轉移管2 3 5以進入除氣柱2 3 9中。珠落 至除氣柱2 3 9以除去任何殘餘氣體，然後落至支撐一床 珠的小杯2 5 4。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 在杯2 5 4之上，除氣柱2 3 9底部的開口處有兩個 切開由管240，247所界定之通道的接收口。惰氣透 過至少口之一者流進柱2 3 9以移除用來將珠輸送至柱 2 3 9之氣體。珠將通過管2 4 0或管2 4 7端賴於氣流 。當氣體流經管2 4 1 ，即，氣流2 0 6與在另一側 2 1 0流動之氣體相較足夠大，珠將通過閥門2 4 9與 2 5 1向下移動至管247進入可密封容器2 5 3。相反 地，當氣體流經管248，即，氣流210與在另一側 2 0 6流動之氣體相較足夠大，珠將通過閥門2 4 2與閥 門2 4 4向下移動至管2 4 0進入可密封容器2 4 6。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐1 ~ 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 541367 Α7 Β7 五、發明説明（56) 操作時，氣流2 0 2與2 0 4 —般受到脈衝以對來自 反應器的珠流率提供寬範圍之控制。脈衝的長度，頻率及 大小可受到控制以決定珠之流率。 較好操作狀況中，氣流2 0 1與氣流2 0 2皆爲氫， 所以只爲氫進入反應器中。好處是可利用來自反應器頂部 流出的氫做再循環。若無需再循環，氣流2 0 2可以是情 氣，例如氬，可在最後封裝時利用。氣流2 0 4與其它氣 、流 206，207，208，209，210，211， 2 1 2及2 1 3皆爲惰氣，例如Μ或氮，可用於珠之最終 封裝。此氣體的目的在於移除殘餘的氫並確保珠封裝 246或253中的大氣是安全的。氣體分離區227， 236中設有除氣通風口 229，239 ，該處的氣體從 經過中的珠分離。氣體分離區2 2 7，2 3 6與通風口 229，238之間設有縫228，237以防止倒置狀 況中的珠帶入。氣流2 0 3與2 0 3兩者皆與下游淨化器 或通風□(未顯示）相通。 在用於隔立轉移容器246，2 5 3之閥門系統中， 每個轉移容器各有一個洗滌閥門。在左口側，有閥門 242，244，兩閥門之間有一凸緣243利於轉移容 器的移除。兩個閥門如圖9所示受到洗滌，圖9顯示了洗 滌氣體關閉閥門。類似的閥門249 ，25 1與凸緣 250 設於右側。閥門 242，244，249 , 251 ，無一對氣體鎖閉，其設計用來傳送氣體。在珠收集期間 ，閥門以小流量洗滌氣體2 0 7，2 0 8，2 1 1及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（ 210X^7公釐） " ' 一 59 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

^ 541367 A7 __B7 五、發明説明（57) 2 1 2分別開放至珠流動，確保珠與碎屑不致阻塞閥門柱 3 〇 5與閥門內部的閥體3 0 6之間的間隙3 0 6。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 通過閥門242，244，249，251之珠透過 管245，252被傳遞至可密封的容器246，253 。雖然容器充滿著珠，透過通風口閥門（未顯示）使容器 通風是有助益的。當容器2 4 6或2 5 3中的填充接近完 成時，則是轉移的時機，藉著調整氣流量珠可從充滿的容 器轉移至其它容器。例如，若容器2 4 6被充滿了，氣流 量210將高於氣流量206，如此珠將流進容器246 。然後，當是改變容器的時候，流量2 0 6可增加而流量 2 1 0減少，如此珠流量調整至容器2 5 3。詳言之，通 風至空容器2 5 3而達成此改變，透過連接至滿容器 2 4 6之接收口增加進入柱2 3 9之氣體流量，透過連接 至空容器2 5 3之接收口減少進入柱2 3 9之氣體流量並 關閉閥門242，244以隔離滿容器246。以低含氧 量之惰氣來洗滌滿容器2 4 6來完成對下一個轉移之準備 ’藉著分離凸緣2 4 3使滿容器2 4 6從口分離，密封滿 容器246，將另一空容器連接至口，從該口藉著附著位 在凸緣2 4 3的空容器移除滿容器2 4 6，打開位在新連 接的容器上的閥門2 4 2與閥門2 4 4。使用兩氣流 2 0 9與2 1 3可使氣體通過容器向下移動是可行的，有 效地將氣流2 1 3當做通氣口使用而非洗滌之用。藉於適 當的閥門可達此一目的。 當需要轉移容器時，首先珠流量如上述般轉向，且任 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -60 - 541367 A7 B7 五、發明説明（58) 何殘餘珠可向下落至容器2 4 6或2 5 3。爲移動轉移動 容器246 ，對閥門242與閥門244之個別洗滌可增 至吹掉任何殘餘的珠且關閉閥門以限制氣體流量。再次， 閥門並非設計用來封密氣體，而是限制氣體流量，使得分 離達成而無需中斷系統內的流量，然而不斷地洗滌可避免 周圍空氣之污染。然而，凸緣2 4 3分離，此時洗滌氣體 隨著氣流2 0 7向下流入閥門並從分離凸緣2 4 3流出， 同時維持著系統壓力。同理，氣體隨著氣流2 0 8流入閥 門2 4 4並向上流經分離凸緣2 4 3。在分離期間可確保 此區域的積極洗滌.。 轉移容器從其位置移動，置放帽蓋或某種空凸緣以封 閉凸緣2 4 3之容器側以利運送。此將使所需的氣體緊密 的連結在貨櫃中。同理，提供氣流2 0 8與2 0 9之清除 氣體連結亦可安裝閥門與帽蓋。直立凸緣2 4 3可安裝帽 蓋或附著另一容器並清除，準備接收產物珠β 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 其它轉移容器之安裝步驟必須相同。儘管圖8顯示了 兩支柱與兩容器之最小值，此系統不限制只有兩支柱=依 需要可有許多支柱。最好有第三樣品支柱或建製造四，五 ，六或任何合理數目的支柱之多重系統。配置支柱可輕易 地達成此一目的，240與247爲其中之典型。 顯示的角度，Α與Β，爲可變。角Α應該確保支柱 2 2 2與2 3 0中之珠的重力流量，角B應該分別使用氣 體脈衝2 0 2與2 0 2使得珠向上吹至支柱2 2 6與 235。角A最好介於30°〜60° ，角B亦同，但在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -61 - 541367 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ________B7五、發明説明（59) 最佳系統中兩角不必相等。同理，顯示於珠轉向系統中的 角C最好介於一45°〜90°之間，但一般介於 一 3 0°〜3 0°之間。此舉主要便於運輸並避免管中之 腐蝕及防止珠流進錯誤的容器中。 圖9詳細顯示了適用於圖8中的閥門242 ，244 ，2 4 9 ，25 1之清除關閉閥門。珠向下移動進入小於 閥門開口之管3 0 1。管3 0 2底部與閥門柱3 0 5之間 有一間隙。然後，珠通過閥門柱3 0 5並進入出口管 309，該管最好寬與入口管，並使氣流310通過系統 流出進入接收容器中。 此閥門中提供若干清除。首先，管3 0 2與3 0 3之 間的環狀空間中有上清除3 0 4。此氣體向下圍繞著珠流 3 0 1流動並吹動越過介於管3 0 2底部與閥門柱3 0 5 之間的間隙。此氣流的目的是在珠或珠碎屑無法在閥門柱 3 0 5與閥門體3 0 6之間錐形化時，驅使其向下通過閥 門。同理，閥門柱3 0 5之外部設有孔，使得進入中心孔 3 0 7之氣體可散佈於閥門柱3 0 5與離開孔，例如孔 3 0 8以清除閥門柱3 0 5與閥門體3 0 6之間的間隙。 此間隙對於清除閥門以防止珠或珠碎片對閥門所造成之刮 削是很重要的。 孔可設於閥門內部以驅使珠離開閥門柱3 0 5壁與閥 門離開管3 0 9 ，該管係用來減少珠與閥門接觸所造成之 污染。角A亦用來使珠離開閥門柱3 0 5而不打開介於閥 門柱3 0 5與閥門體3 0 6之間的間隙。須注意到此結構 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -62 - 541367 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（60) 大部分可由高純度含矽材料，例如矽或硫態二氧化矽（石 英）所製造，且不同材料可用在不同場合，取決於磨損與 純度課題。例如，在非常高磨損區域中，需要使用非常高 純度材料，例如高純度石英，合成石英或多晶矽使得導入 的污染物相容於產物。系統中所獲得的間隙允許在處理熱 珠時使用具有不同熱膨脹係數之不類似材料而無篩選材料 〇 圖1 0顯示一種利用機器視覺以提供線上粒子分析之 方法，該方法對於流化床反應器之有效率的操作是很重要 的。當量測到由反應器出來的粒子時，線上粒子分析立即 提供回饋。此資訊對反應器之控制是很重要的。透過珠移 除管1 1 4離開反應器之珠被傳遞至3 1起珠沿著非污染 之平面的裝置。首先，珠允許落經非污染管4 Ο 1進入小 槽402，該處只有珠彼此衝擊。然後，從槽402溢流 的珠沿著非污染之平面的斜區間向下移動。表面足夠寬所 以珠散開進入單層403，流過傾斜區間407，並成爲 流404離開而進入收集系統。角A介於〇°〜60°之 間以維持單層4 0 3中的珠在傾斜表面4 0 7上穩定流動 。機械視覺系統4 0 6透過視察4 0 5偵測珠的特性。此 機械視覺系統4 0 6充當感應機構，計數並量測珠的維度 ，計算粒子大小分佈及發出所需的訊號。機械視覺系統亦 存在稠密相中可量測珠之處，即，填充純淨的垂直管。 圖1 1顯示一種具有類似構造之系統，可用來增進珠 的表面特徵。此系統中，以高強度光曝光而加熱珠。珠落 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -63 - 541367 A7 B7 五、發明説明（61) 經非污染管5 0 1進入槽5 0 2且散開進入非污染表面 507上的單層503，並成爲流504離開而進入收集 系統。角A介於〇°〜60。之間以維持單層503中的 珠在傾斜表面507上穩定流動。視窗505，設在單層 5 0 5之上’可以石英或任何其它對採用的光之頻率爲透 明之高純度材料。光5 0 8從適當的共聚或非共聚的高強 度光源5 0 6穿過視窗5 0 5以增進珠之表面特徵。將管 5 0 1中的珠導入所選擇用來增進表面活動性之氣體或以 其匕方法加強砍粒子之表面是可行的。此氣體可是各種的 含齒素材料。選擇雷射或其它高強度光源5 〇 6將取決於 所欲之結果。例如，若只要急速加熱珠表面，將採用相當 短波長光以限制光對珠的貫穿並供應的熱量可降低至僅足 以加熱珠表面。在特別最佳實施例中，適當頻率與充分強 度之光掃瞄並閃光加熱珠表面至8 0 0°C〜1 5 0 0 °C的 溫度’處於選擇用來促進表面流動性與光滑的珠形態。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1 2顯示了來自注射進入反應器之稀薄氣體或含鹵素的 流6 0 1的氧化物之移除，例口氧，水，一氧化碳及二氧 化碳。稀薄氣體可以是氫，氮，氬或類似物。 流6 0 2爲含矽氣體，例如矽烷，三氯矽烷等。混合 器6 0 4包含混合元件6 0 3使得含鹵素或稀薄氣體與含 矽氣體可充分混合。若需要的話，亦可施加某程度的熱至 此區域。含矽氣體將與污染其它氣體而形成固態粒子之含 氧化合物。氣體與粒子混合物6 0 5穿過細網眼濾器 6 0 7且純化的含鹵素或稀薄氣體及殘餘含矽氣體6 0 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 541367 A7 B7 五、發明説明（62) 行進入反應器系統，例如透過管1 1 5。流606顯示固 態粒子的移除，一般完成於過濾器之批次模式。 圖13顯示針對離開反應器1 · 5mm粒子，反應器 直徑與粒子大小對高度之變化關係。反應器的底部處爲反 應器之寬區間，其直徑大約爲2 6 cm，在該處指出平均 粒子大小小於0·14cm或1·4mm^離開反應器之 材料略大約反應器底部中之平均粒子大小。在指出平均粒 子大小約爲1 · 2 1mm處，反應器變窄至約1 3 cm。 反應器以兩步驟增加，首先，從約1 6 cm增至1 8 cm 。在此錐形區間，產生藉著粒子大小之分離。如圖所示， 隨著從入口處起算之增加高度由1·21mm降至約 0 · 09mm時，粒子大小下降。在錐形區間之後的反應 器頂部，反應器保持直線且平均粒子大小不變。此顯示了 反應器的三區，由於沈積，反應器底部的粒子直徑急速增 加，此處反應器充分混合；在錐形區，粒子大小減小；向 上至反應器頂部，床充分混合且粒子直徑維持不變。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 圖1 4顯示反應器之粒子大小分佈測量，該圖顯示了 在不同高度處之粒子分佈。主要比例1 0%，5 0%與 9 0%，當其顯示粒子大小分佈與平均粒子直徑。因此， 從底部起算1英呎處，平均粒子大小爲1 4 0 0微米，而 範圍介於9 3 5〜1 700微米之間（1 0%〜9 0%) 。在高度爲1 0英呎處，平均粒子大小爲6 0 0微米，而 範圍介於330〜1120微米（10%〜90%)。此 顯示了反應器之特徵：較大的粒子從反應器底部離開且這 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇Χ297公釐1 541367 A7 B7_ 五、發明説明（63) 些粒子大小具有窄的大小分佈。錐形區產生窄的粒子大小 分佈且粒子大小朝向錐形區底部增加。在反應器頂部，充 分混合床中有寬範圍的粒子大小，所以所有的粒子大小可 同時成長。當其到達可離開直線區之適當大小時，其向下 進下至錐形區，最後離開反應器。 範例 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此範例敘述圖2〜7中用來收獲元素矽之反應器的用 途。反應器1 0 1由石英管材所製。反應器包含入口，錐 形區，蓄貯區及分離區，其維度如下：入口區1 1 6近似 橢圓形，直徑25 cm，長度40 cm。錐形區1 1 8之 第一區間的直徑始於1 7 cm而終於2 3 cm，長度爲 5 0 cm。錐形區之第二區間的直徑始於2 3 cm而終於 25cm，長度爲80cm。貯蓄區，直徑25cm，從 錐形區頂部往床頂部延伸35 〇 cm。另，直徑爲 2 5 cm的分離區從貯蓄區頂部往反應器頂部延伸2 6 0 cm。3 0 cm長的出口管1 24設在反應器頂部，內直 徑（I D)爲2 5mm。位在反應器底部的氣體入口管 .1 3 5長爲3 0 c m。插入物1 3 1位在管1 3 5內並以 凸緣接觸主反應器底部。插入物1 3 1爲石英所製且其維 度如下：底部I D爲50mm，頂部I D爲1 2mm，且 壁厚爲2 · 5mm。插入物1 3 1底部連接至入口氣體 1 1 3之7mm ID傳遞管。粒子之出口 107之ID 爲1 2mm。整體反應器之組合高度爲8 4 0 cm。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 "" ' 一 66 - 541367 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（64) 開始操作，從連接至頂口 1 4 4充當暫時的量測之矽 珠容器（未顯示）通過頂口1 44導入矽。使用此暫時珠 添加容器可對反應器饋送珠。需要填充珠若干次。起始填 充乃針對低入口區1 1 6，該處需要的平均粒子大小約爲 1 · 4mm。第二填充乃針對起始錐形區，該處填充的平 均粒子直徑爲1 · 25mm，然後，針對第二錐形區填充 之平均粒子直徑爲1·14mm。頂區間之平均粒子直徑 爲0·97mm。取決矽晶粒子之限制以大於 2 0 0 〇 hm — cm且流化由1 〇 〇%矽烷所組成之氣體 來源，除了起動時惰氣與氫充當起始起動氣體。 以惰氣清除反應器，如前所述，導入起始填充之矽粒 子以填充入口區1 1 6。持續後序的填充直到反應器充滿 珠。當添加額外的珠時，同時使壁加熱器及預熱器以開始 對入口氣體1 1 3之加溫以提供較佳之流化品質。 藉由圍繞在氫之珠撤離環狀帶與穿過注射器131之 通道1 3 0使起始的氫流量維持在2 0 0標準升/分（ S L Μ ) 〇 當粒子添加使得入口之上的床高升至5 8 0 c m時， 反應器之功率由1 0 kw增加至3 0 kw。當達到所需的 操作溫度8 5 0 °C且功率降低並藉著獨立區帶設定以控制 壁之溫度曲線時，氫流率降低。然後，打開高強度光源， 光上揚至氣體注射器而進入噴射區，且入口區1 1 6之壁 溫凝結點降低。接下來，2SLM的氯開始通過管143 ，透過管1 3 6與1 3 7來回珠冷卻器1 3 8形成冷水循 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 一 67 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 541367 A7 B7 五、發明説明（65) 環。矽烷，即含矽氣體，導入反應器底部且藉著降低環狀 部1 3 3中的氫流量以起始珠撤離。矽烷與氫被分離矽烷 預熱器（未顯示）加熱後，在溫度約爲3 5 0 °C下進入入 口區底部。 當矽烷成分增加時，漸進降低氫量調整流率以維持流 化。約一小時後，反應器處1 0 0%的矽烷，饋送率約 2 1 0 S LM矽烷。環狀部中有2 SLM的氫清除流 115可供珠移除流化氣體。在反應器頂部，在室溫下通 過入口 1 2 3以8 S LM注射氯以消除細微非晶粒子的帶 入。產物以約3 0 k g/h r的速率從反應器移除且其平 均直徑1 · 5mm (1500微米）。一般一段過程中， 填充3 2 0 k g之政起動床。生產速率爲3 0 k g/h r 而一般的過程期間爲一到二週。填充床的過程導入一些污 染，但在床翻轉後，收獲的材料品質對半導體裝置生產是 有助益的。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在反應器以2kw/hr之速率消耗〇 · 5kw/ k g之能量之前，具有矽烷預熱器所提供的額外反應熱之 反應器的平均功率消耗爲1 1 kw。與採用其它微波加熱 石英流體床，應用壁與散佈器網格之主動冷卻，所消耗 4 0 kwh/k g比較來，此能量消耗相當低。功率供應 的能量效率從集中光線的2 %變化至矽烷預熱器與壁加熱 器的5 0%。集中光線提供3 kw的反應熱而氯反應提供 2 kw的反應熱。微波加熱器提供i kw的反應熱與入口 區16中之1kw的熱損失。壁加熱器提供上區中4kw 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐）~~ -68 - 541367 A7 B7 五、發明説明（66) 的熱損失補償。因此，對集中光線之電輸出爲1 5 0 kw ，對微波爲4 kw，對壁加熱器爲8 kw而對矽烷預加熱 器爲4kw，總計爲166kw或5 · 5kw/kg。 綜上所述，可了解到本發明包含了在下述的申請專利 範圍的範疇與精神及其相當者之中可達成的改進。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 一 69 -

Claims (1)

1. 541367 附件一 A: 第85107,190號專利申請•案中文申請專利鈴阂修$十 '民國91年8月29曰修正 六、申請專利範圍

   煩請委員明示°(|年？月^^日所.¾之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^r容I否准予修正 0 數 容 流化粒 包含： 通過流 )上區 朝上移 中的粒 2 ，其中 度，以 對於氣 ，該位 粒子雷 器內部 、(b 流率以 持著入 控制率 進入容 •一種加 個矽粒子 器，其容 子之氣體 (a )入 化入口而 ，位在入 動的氣體 子。 •如申請 容器與流 使得於室 體流之最 置的粒子 諾數係藉 的粒子予 )混入流 及噴射速 口區中之 以維持入 器之流體 第85107193號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國9 1年8月 日修正 熱矽沈積反應器裝置，包括： ;及 器壁界定一室，該室包含粒子並界定用以 噴射的流化入□，該室具有至少兩個區， 口區’包含流化入口且其被構形以於氣體 噴射時包含埋入噴射床中的粒子，及（b 口區之上並與入口區導通以接收從入口區 ，且可調整大小與形狀以包含氣泡流化床 專利範圍第1項之 化入口可調整大小 之至少一部分中， 位置，爲 大拖曳的 雷諾數範 由以下之 以分類， 化噴射中 度使足以 升高的反 口區中之 速度、及 圍介於5 至少一步 加熱矽 與形狀 粒子係 了增加 • 5〜 驟而維 大的粒 以使得最 的粒子、（c ) 促進形成足夠高 應器背壓、（d 升高的反應器背 (f )提供一個 沈積反應 以產生一 固有地定 產物粒子 2 0 0之 持·· （a 子移至容 維持入口 度之粒子 )調節出 壓、（e 具有得容 器裝置 氣體速 位於相 之球度 間，該 )將容 器底部 及出口 床來維 口流動 )調節 許容器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公嫠） 一 1 一 541367 AS B8 C8 ___ D8 六、申請專利範圍 底部處粒子雷諾數爲5 · 5〜2 Ο 0之操作的壁輪廓的容 器。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 ·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，其中容器壁係界定一從室移除粒子之出口；及該裝置進 一步包括一裝置以冷卻從室移除之粒子。 4·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，其中該室之組態可在7 0 0 °C〜1 2 0 0 °C的溫度下容 納粒子一段充分的時間以降低粒子之氫成分並促進粒子整 體之多晶結構。 5 ·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，進一步包括含鹵素氣體源，其導通於室以使得含鹵素氣 體可導進室以與透過入口而進入室之氣體產生放熱反應以 提供充足的能量加熱室中的粒子。 6·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，其中至少壁的一部分爲錐形，使得氣體通過容器向上移 動時其速度減小且針對粒子的稠密相分離做分類，最大的 粒子移動至容器底部。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 ·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，其中： 該裝置進一步包括含矽氣體源； 含矽氣體源導通與流化入口以注入含矽氣體來流化粒 子； 容器壁與流化入口之大小與位置可使含矽氣體以流化 噴射之形式傳遞而造成容器內粒子的循環，及 本^張尺度適用中國國家摞準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2 - 541367 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 容器被構形以使得粒子之磨碎發生於容器內並形成較 小的粒子以充當額外矽沈積之種晶。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 8 ·如申請專利範圍第1項之加熱矽沈積反應器裝置 ，進一步包括： 氣體傳遞管，界定導通流化入口之氣體入口通道；及 輻射能量源，其被定位以將輻射能量導引透過氣體傳 遞管而進入室中。 9 . 一種對容器內之粒子進行矽沈積的方法，包括： 提供一容器，其容器壁界定一室，該室具至少兩區， 包含：（a)入口區及（b)上區，其位在入口區之上並 與入口區導通以接收從入口區朝上移動的氣體，且該容器 之具有一流化入口以將氣體傳遞至入口區； 將含矽氣體注射通過流化入口以維持入口區中之粒子 於埋入噴射床中；及將上區的粒子維持在氣泡流化床中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1〇·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括將含矽氣體注射通過流 化入口以提供流化噴射，使得室中的粒子維持在流化床中 以循環室中的粒子，該循環方式可磨碎室中的粒子並將粒 子磨成足夠的小以充當額外矽沈積的種晶粒子。 11·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，其中透過流化入口之含矽氣體的注射係以 一所選擇的氣體速度而使得在室中的粒子維持在流化床中 並使得種晶粒子係固有地定位於相對於氣體流之最大拖曳 的位置處，爲了增進產物粒子的球度，該位置的粒子雷諾 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） -3 - 541367 8 888 ABCD 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 數範圍介於5 · 5〜2 0 0之間，該粒子雷諾數係藉由以 下之至少一步驟而維持：（a )將容器內部的粒子予以分 類，以使得最大的粒子移至容器底部、（b )混入流化噴 射中的粒子、（c )維持入口及出口流率以及噴射速度使 足以促進形成足夠高度之粒子床來維持著入口區中之升高 的反應器背壓、（d )調節出口流動控制率以維持入口區 中之升高的反應器背壓、（e)調節進入容器之流體速度 、及（f)提供一個具有得容許容器底部處粒子雷諾數爲 5 · 5〜2 0 〇之操作的壁輪廓的容器。 1 2 ·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括在容器壁冷卻超過 1 0 0 °c之前： 從容器撤離粒子；及 接著於操作溫度或接近操作溫度使用含鹵素氣體蝕刻 劑來蝕刻以至少部分地移除壁上的沈積矽，其中該蝕刻係 藉由將一含鹵素之氣體蝕刻劑流經一氣體入口管且進入容 器而執行。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13 ·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括將室中的粒子保持在 7 0 0 °C〜1 2 0 0 °C的溫度一段充分的時間以降低粒子 之氫成分並促進粒子之多晶結構。 14·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括： 爲谷器提供一氣體傳遞管，該管界定了與流化入口導 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 541367 A8 B8 C8 D8 穴、申請專利範圍 通之氣體入口通道； 加熱室中之物質，藉由將來自一輻射能量源之輻射能 量透過氣體傳遞管而導引至室內的位置；及 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 維持輻射能源之波長分佈以使得室內含矽氣體所吸收 之能量不足以引起氣體的分解並使得任何殘餘能量被矽粒 子所吸收。 1 5 _如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括： 將含矽氣體注射通過流化入口以提供一流化噴射於入 口區域中；及 注射含鹵素氣體進入入口區之一區域中，該區域包含 噴射，此噴射藉著含鹵素氣體與噴射區域中的一部份含矽 物種之放熱反應所釋放的能量來加熱噴射區域，該反應所 產生的能量足以加熱噴射中的粒子。 16·如申請專利範圍第9項之對容器內之粒子進行 矽沈積的方法，該方法進一步包括： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 至少在壁內表面之一部分上提供滑動塗料以抑制沈積 於壁上之矽的附著，滑動塗料爲粉末，該粉末在反應器系 統操作期間，就絕對溫度而言，其熔點爲矽層之兩倍有餘 在滑動塗料上提供矽層； 注射含矽氣體進入室中；及 至少加熱某些室成份以促進室中粒子上的矽沈積。 1 7 · —種加熱矽沈積反應器系統，包括： 本紙張尺度適用中國國家榇準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 -5 - 541367 A8 B8 C8 ______________ D8 六、申請專利範圍 數個矽粒子；及一具有容器壁之容器，該容器壁界定 了含粒子之一室、界定了一流化入口，其被構形以注射氣 體成爲一朝上的噴射來流化粒子、及界定了補充入口，其 被構形以注射氣體來引發粒子之研磨並藉以形成較小粒子 而充當矽沈積之種晶粒子。 1 8 · —種對容器內之粒子進行矽沈積的方法，包括 提供一具有容器壁之容器，該容器壁界定一室，一傳 遞氣體進入室的流化入口及一傳遞氣體進入室的補充入口 通過流化入口注射含矽氣體以提供朝上的流化噴射’ 如此可將室中之粒子維持在流化床中以循環室中粒子；及 通過補充入口注射氣體，以此方式可磨碎室中之粒子 而磨碎後的粒子小的足以充當矽沈積的種晶粒子。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -6 -