JPH0231833A - 流動床における内芯加熱法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、改良された加熱流動床反応器及びそのような
反応器を使用する方法に関する。好ましい具体化におい
ては、この改良された加熱流動床反応器はシラン含有ガ
スを熱分解することにより多結晶ケイ素の製造に有用で
ある。

光１１と１ 本発明は、改良された加熱流動床反応器に関する。この
反応器は、外側周辺部と内部境界部とを有する加熱流動
床反応域を包含する。熱は第１加熱源により流動床反応
帯域の外側周辺部に供給され、そして第２加熱源は流動
床反応帯域の内部境界部に熱を供給する。

他の具体例において、本発明は内部境界部と外側周辺部
とにより定められた流動床反応帯域を加熱する方法に関
する。熱は、第１加熱源により流動床反応帯域の外側周
辺部に供給される。第２加熱源は流動床反応帯域の内部
境界部に熱を供給する。本発明の具体例の特別な応用は
、内部境界部と外側周辺部とにより定められるケイ素粒
子の加、熱流動床反応帯域中で、シラン含有ガスを熱分
解することにより高純度多結晶性シリコン（ケイ素）の
製造方法に関する。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面に
関して、成る好ましい具体例の後述の記載から容易に明
らかとなるであろう。変更及び改変は、この開示の新規
な概念の精神及び範囲から逸脱することなしに行われ得
ると理解されるものとする。

発ＩＩＬ班 本発明はケイ素粒子の流動床中でシラン含有ガスをケイ
素に熱分解することに関する好ましい具体化に関して説
明するものである。本発明は熱のインプットを必要とす
る他の型の流動床反応及び操作に等しく応用可能である
と理解されたい。このような操作の例としては、接触反
応、イオン交換反応及び分離、吸着反応、乾燥操作など
がある。

ここで用いられる「不均一分解」は、分解がガスと固体
相の間の境界で起こるときのような二つまたはそれ以上
の相で起こる。シランまたはハロシラン含有ガスのケイ
素への熱還元をいう。この不均一分解の結果、ケイ素が
流動床に浮遊したシリコン粒子の上に、または、流動床
反応器の内面に沈積することになる。「均一分解」は、
ガス相のような単一の相に起こり、そしてミクロンまた
は１ミクロンより小さい（サブミクロン）大きさの範囲
の大きい表面積のケイ素粉末またはダストを生ずる。

−ｍに、与えられた温度で、シラン及びハロシランの分
解は、シラン含有ガスの濃度に依存して不均一および／
または均一である。一般に、低いシラン含有ガスの供給
濃度は、シラン含有ガスのケイ素への分解を不均一様式
に維持するために望ましい。しかしながら、シラン含有
ガスの供給濃度を非常に低くすると、ケイ素の高い生産
率が得られない。

「ケイ素種粒子」という用語は、大きさが約５０ミクロ
ンから約４００ミクロンの範囲にわたる流動床の粒子を
意味する。そのような粒子は、シリコンがその上に沈積
されると生成して大きくなり、それは結局ケイ素生成物
粒子として捕集される。

「ケイ素生成物粒子」は、少なくとも約４００ミクロン
の大きさに、好ましくは約４００ミクロンから約１３０
０ミクロンの大きさの範囲にわたって大きくなったケイ
素種粒子である。そのような生成物粒子は、反応域の底
部近くで分離し、そして捕集域に集められ、慣用の手段
で回収できる。「ケイ素「ケイ素粉末」という用語は、
シラン含有ガスの均一分解に起因するほぼミクロンから
１ミクロンより小さい（サブミクロン）範囲の大きい表
面積のケイ素粒子をいう。

ここで用いられているように、「シラン含有ガス」とい
う用語は、別に示さない限り、シラン及び／又はハロシ
ランの両方またはどちらか一方を含有するガスをいう。

ここで用いられる「流動化するガス」または「流動化ガ
ス」という用語は、シラン含有ガスと、ケイ素粒子の流
動化の際に助けるために及び／又は反応速度或は熱伝達
を制御するために流動床反応器に加えられる任意他の付
加的なキャリヤーガスとの組み合わせを指す。

多結晶ケイ素は、シラン含有ガスを、反応域に浮遊され
るケイ素種粒子の流動床の中へ導入することによって製
造する。これらのケイ素粒子は、反応域の流動化するガ
スの上向きの流れにより浮遊させる。反応域を通る流動
化ガス速度はケイ素粒子の最小流動化速度以上に保たれ
る。反応域の粒子の温度は、シラン含有ガスの分解温度
とケイ素の融点温度との間に維持される。シラン含有ガ
スは、分解されてケイ素を形成し、このケイ素がケイ素
粒子の表面に沈積する。ケイ素がケイ素粒子の上に沈積
するので、そのような粒子が大きくなり、そして反応域
の下に配置された捕集域における流動床の底部附近で分
離する。

より大きい（−層大きい）ケイ素生成物粒子は捕集室か
ら慣用の手段により、連続的に、或は周期的に回収する
。咳より大きい生成物粒子の大きさは、高純度物質を不
当に汚さずに容易に操作させるのに充分なものである。

シラン含有ガスを、流動床反応域へ、その底部から慣用
のブラクチス例えばガス分配器板にしたがって導入する
ことができる。これは、流動化しようとする種粒子を場
合によっては流動化ガス中に導入することができる場所
でもある。ガス分配帯域において、冷却水、窒素又はそ
の他類似物により分配器は約２００°Ｃから約４００°
Ｃに亘る温度に冷却される。冷却器温度はシラン含有ガ
スの早期分解を阻止するために保持する。シラン含有ガ
スは希釈せずに導入してもよいし、或は該ガスは水素、
或はアルゴン、ヘリウムなどのような不活性キャリヤー
ガスで希釈してもよい。シランの分解中に、副生物の水
素が発生するが、それを、流動床の半連続的なまたは連
続的な操作で付加的な量のシラン供給ガスのためのキャ
リヤーガスとして用いるために循環することができる。

ガス相で熱分解または還元してケイ素にすることができ
る任意の適当なシラン含有ガス流を、流動床への供給ガ
スとして用いることができる。そのようなガスの実例は
、シランおよび塩素、臭素、弗素およびヨウ素のハロシ
ランである。トリクロロシラン、テトラクロロシランお
よびジクロロシランのようなりロロシランを用いると、
シランの使用を通じて特別な利益が実現される。シラン
の熱分解反応は、わずかに発熱を伴い、実質的に完全に
進み、非可逆であり、かつハロシラン含有ガスや同様な
ものに必要なより高い熱分解の温度に比較すると、若干
低い温度の約２００°Ｃで開始される。加えて、シラン
とその分解生成物、すなわちケイ素と水素は非腐食性で
ありかつ汚染しない。

比較すれば、クロロシランの分解は可逆性の不完全な反
応であり、そのため性質が腐食性の副生物を生ずること
になる。従って、他のシラン含有ガスを用いることがで
きるけれども、シランは多結晶性ケイ素の製造に使用す
るのに好ましいガスである。

ここに記載した流動床反応器方法を使用して多結晶性ケ
イ素を製造するのには、基体（基質）であるケイ素種粒
子を供給することが必要であり、この基体の上にシラン
含有ガスの不均一分解によりケイ素が沈積する。ケイ素
種粒子を流動床に供給するためには、ケイ素生成物物質
を少さいフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）に分割し、
そしてその物質を少さい、細かい種の大きさの粒子に適
当に破砕または磨砕することが可能である。これらの種
粒子を流動床に再導入する。導入すると、少さい種粒子
はシランの分解によって生成するケイ素の積出により生
成し、したがって次第に大きさが増大するので、ケイ素
生成物粒子として床から取り出す。

反応域を通る流動化ガス速度は、一般に、流動圧内で平
均直径の粒子を流動化するために必要な最小流動化速度
の約２ないし８倍である。ここで用いられているように
、「平均直径Ｊという用語は、与えられた粒子直径と、
与えられた直径の粒子がもっていると見做されるそれぞ
れの重さ部分との商の和を意味する。流動化ガス速度は
、流動床の種粒子のための最小流動化速度の約４〜６倍
であるのが好ましい。最小流動化速度は、次の等式のよ
うな当該技術で知られた慣用の手段により決定できる。

ここで Ｖ、＝流動化のための最小の表面ガス速度（ｆｔ／５）
Ｄｐ＝床の粒子の平均直径（ｃｍ） ρ＝流動化ガスの密度（ｇ　／　ｃｒＡ　）ρ２＝粒子
の密度（ｇ／ｃイ） φ、＝粒子の球体度 ε−最小流動化のときの粒子の床の空隙率μ＝流動化ガ
スの絶対粘度（ｊ２　ｂ／ｆ　ｔ−ｓ）ｇ＝重力の加速
度（ｆｔ／ｓ”） 最小流動化速度は、ガス粘度およびガス密度、ならびに
平均粒子直径、粒子形状および空隙重分の強力な関数で
ある。従って、最小流動化速度は上記ファクタの小さな
変化で広い範囲をカバーする。

第１図に関し、流路（ライン）２２におけるシランガス
と、流路２４における水素／流動化ガスとが合併し、流
路２３を介して流動床反応器１１の底部に供給される。

流路２３を介して入って来る供給ガスは穿孔ガス分配器
板２５における穿孔を介して流動床反応帯域１３に入る
。シラン含有ガスは、この流動床反応帯域１３において
ケイ素に熱分解し、そしてケイ素種粒子１８の表面に析
出する。ケイ素種粒子１８の表面に析出するケイ素は、
ケイ素生成物粒子２１となるまで該ケイ素種粒子１日を
生長させて、大きくさせる。ケイ素生成物粒子２１は、
流動床反応帯域１３の底部附近の捕集帯域において分離
する。

ケイ素生成物粒子２１を導管（コンジット）２７を介し
て流動床反応器１１の底部から回収する。副生物ガスと
流動ガスは、導管１０を介して、流動床反応帯域１３の
頂部から出て行く。

ケイ素種粒子１８は、大きくなったケイ素生成物粒子２
１として取り出されるから、導管２６を介して追加のケ
イ素種粒子１８を補充することが必要である。流路２６
を介して導入されたケイ素種粒子１８は、ケイ素生成物
粒子２１の一部分を回収し、該ケイ素生成物粒子２１を
、より小さなケイ素種粒子１８に粉砕することによって
製造することが出来る。

流動床反応帯域１３は、内側反応帯域壁１２と外側容器
壁１５との間の環状空間（スペース）にある。

流動床反応帯域１３のケイ素種粒子１８は導管２３を介
して入り、そして流動床反応帯域１３を介して上方に通
過する流動ガスによって浮遊される。

熱は、第１加熱手段１６と第２加熱手段１７とによって
、流動床反応帯域１３に供給される。第１加熱手段１６
は、外側容器壁１５に熱を供給し、そして第２加熱手段
１７は内側反応帯域壁１２に熱を供給する。

流動化法反応帯域１３の内側壁１２と外側壁１５との双
方は、加熱表面として使用されるから、該床の単位容積
当りの熱伝達に必要な全表面域は増大し、したがって、
所定の温度に対する流動床反応帯域１３に伝達した熱の
全量は、熱が反応帯域の外側壁だけに供給される反応帯
域中に伝達された熱に比較して、増大する。

第２図に関し、ケイ素種粒子１８の流動床反応帯域１３
は、内側反応帯域壁１２と、外側容器壁１５との間に環
状空間を占める。熱は、内側加熱手段１７により、流動
床反応帯域１３の内側に供給される。また熱は外側加熱
手段１６により、流動床反応帯域１３の外側に供給され
る。

実施例１は本発明を説明するためのものであるが、この
実施例は限定を意図するためのものではない。

実」１汎 ２つの同心シリンダ間の環状領域を占める３００〜８０
０ミクロンの直径を有するシリコン粒子の流動床には、
カンクール（Ｍｃｍ　ｔｈａ　１）　　ヒータが環状領
域を画成する内面および外面の両方に設けられている。

この流動床の内径は２２．９ｃｍであり、外径は３８．
１ｃｍであり、この流動床は比較例の従来の流動床の横
断面積に等しい７３０．０Ｃ１１１の横断面積を有して
いる。この流動床には、シラン２０重量％および水素８
０重量％よりなる流動化ガスを導入してより大きい粒子
を床から沈降させるための１２個の円錐形ガスデイスト
リビユータが環状床の下に位置決めされている。

これらの円錐形ディストリビュータは高さが１．３ｃｍ
であり、それらの大きい方の端部の直径が７．６ｃｍで
あり、小さい方の端部が２．５ｃｍである。床の外径は
厚さ０．６５ｃｍの石英ライナで画成されている。

このライナは直径６２．５ｃｍのステンレス鋼シェル内
に収容され、１０．０ｃｍの断熱層で包囲されている。

床の内径（２２，９ｃｍ）は厚さ０．６５ＣＩ１１の石
英ライナにより画成されている。カンタールヒータはス
テンレス口外シェルの内壁に位置決めされており、外側
ライナを通して流動床に熱を供給する。内側の石英ライ
ナより小さい直径を有するカンタールヒータは内側の石
英ライナを通して流動床に熱を供給するために内側石英
ライナの内面に支持されている。ステンレス口外シェル
に設けられたカンタールヒータは外径が６２．５ｃｍで
あり、内径が５２．５ｃｍである。内側ライナの内面に
支持されたヒータは約１０ｃｍの直径を有している。こ
れらのヒータは１２００°Ｃで作動されるものであって
、９２．７ｃｍの流動床の高さを画成する。外側シェル
に設けられ、９４．５ｃｍの外径および９．０ｃ′Ｉ１
１の厚さを有するフランジを使用してステンレス鋼シェ
ルの当接部を接合し、ならびにこれらのシェルをガスデ
イストリビユータおよび反応器の排出部分に接合してい
る。

ステンレス鋼シェルおよび石英ライナは粒子流動床より
上に１７０．３ｃ＋ｎ延びている。

流動床反応器内の圧力は２ａｔｍであり、デイストリビ
ュー・夕のところの表面流動化ガス速度は直径８００ミ
クロンの粒子の約７０．０ｃｍ／ｓｅｃの最高流動化速
度に等しい。流動化床の頂部の温度は９２３゜Ｋであり
、底部の温度は８２３°にである。ガスデイストリビユ
ータの温度は５２３°にである。流動化状態における床
の空隙率は０．４であり、流動床の伝熱特性は比較例に
記載のものと同じである。

また、比較例に記載の同じ熱損失および入熱を考慮し、
かつ比較例に使用した同じ想定をして、カンタールヒー
タから床への伝熱率は比較例の床高さの１１あたり０．
６５６ＫＷに対して、床高の１ｃｍあたり１．３５ＫＷ
であると定められる。

本発明によれば、所定の高さおよび横断面積の流動床に
、同様の寸法の流動床を加熱する従来の方法と比較して
、多量の熱を付与することができる。単位床高さあたり
のこの高い伝熱率により、通常は従来の反応器の床高さ
を低下に関連して床への全伝熱率を低減させることなし
に深さのより浅い床で流動床反応を行うことができる。

これらのより浅い床はより深い床と比較して良好な流体
力学的挙動を示し、また通常は反応器の下方領域を占め
る一次反応帯域の近くに熱束を加えることができる。

本発明を好ましいパラメータを含めて種々の実施例につ
いて説明してきた。当業者は上記明細書を読めば、ここ
に記載の広い概念から逸脱することなしに種々の変形例
、同等要素の置換例、および他の変更例を行うことがで
きるであろう。従って、請求するこの特許の範囲は添付
の請求項に含まれる定義およびその同等なもののみによ
って限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例による環状内芯加熱式流
動床の横断面図；第２図は本発明の好適な実施例による
環状内芯加熱式流動床の頂面図である。 手 続 補 正 書 吉田久毅殿 ７年　ハ對　間第　♂３Ｊ？７７号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外周および内境界を有する加熱流動床反応帯域を画
   成する手段と、流動床反応帯域の外周に熱を供給するた
   めの第１熱源と、流動床反応帯域の内境界に熱を供給す
   るための第２熱源とを備えていることを特徴とする改良
   加熱流動床反応器。 ２、流動床反応帯域は大径の円筒形外壁部と、該大径の
   円筒形外壁部内に同心に位置決めされた小径の円筒形内
   壁部とによって画成された環状室であることを特徴とす
   る請求項１記載の改良加熱流動床反応器。 ３、小径の内境界壁部の直径は大径の外周壁部の直径の
   約１０％〜約９５％の範囲であることを特徴とする請求
   項２記載の改良加熱流動床反応器。 ４、第１および第２の熱源は伝導加熱源、抵抗加熱源お
   よび誘導加熱源よりなる群から選択したものであること
   を特徴とする請求項１記載の改良加熱流動床反応器。 ５、熱伝導に有効な反応帯域の内境界の表面積は外周の
   熱伝導表面積の約１０％〜約９５％の範囲であることを
   特徴とする請求項１記載の改良加熱流動床反応器。 ６、反応帯域の内境界壁部の直径は約１５ｃｍ〜約１１
   ７ｃｍの範囲であり、外周の直径は約２０ｃｍ〜約１２
   ２ｃｍの範囲であることを特徴とする請求項２記載の改
   良加熱流動床反応器。 ７、流動床反応器内でシラン含有ガスを熱分解すること
   による高純度多結晶シリコンの製造に有用なシリコン粒
   子床を更らに備えていることを特徴とする請求項１記載
   の改良加熱流動床反応器。 ８、加熱中の流動床の内壁および外壁の温度は約２００
   ℃〜約１４００℃の範囲であることを特徴とする請求項
   ７記載の改良加熱流動床反応器。 ９、反応帯域中の粒子の温度は約５５０℃〜約１０００
   ℃の範囲であることを特徴とする請求項７記載の改良加
   熱流動床反応器。 １０、内境界壁部の直径は約１５ｃｍ〜約１１７ｃｍの
   範囲であり、外周の直径は約２０ｃｍ〜約１２２ｃｍの
   範囲であることを特徴とする請求項７記載の改良加熱流
   動床反応器。 １１、シラン含有ガスを熱分解することによる高純度多
   結晶シリコンの製造に使用する改良加熱流動床反応器に
   おいて、外周および内境界を有する環状の加熱流動床反
   応帯域を画成する手段と、この環状加熱流動床反応帯に
   熱を供給するための第１熱源とを備え、上記外周は直径
   が約３８ｃｍ〜約６９ｃｍの範囲であり、また環状流動
   床反応帯域の内境界に熱を供給するための第２熱源を備
   え、内境界は直径が約２０ｃｍ〜約３０ｃｍの範囲であ
   ることを特徴とする改良加熱流動床反応器。 １２、内境界および外周により画成される流動床反応帯
   域を加熱する方法において、 （ａ）流動床反応帯域の外周に熱を供給し、 （ｂ）流動床反応帯域の内境界に熱を供給する ことを特徴とする方法。 １３、流動床反応帯域は大径の円筒形周囲と、該大径の
   円筒形周囲内に同心に位置決めされた小径の円筒形内境
   界とにより画成された環状室であることを特徴とする請
   求項１２記載の方法。 １４、第１および第２熱源は抵抗加熱手段であることを
   特徴とする請求項１２記載の方法。 １５、熱伝導に有効な反応帯域の内境界の表面積は外周
   の全熱伝導表面積の約１０％〜約９５％の範囲であるこ
   とを特徴とする請求項１３記載の方法。 １６、内境界の直径は約２０ｃｍ〜約３０ｃｍの範囲で
   あり、外周の直径は約３８ｃｍ〜約６９ｃｍの範囲であ
   ることを特徴とする請求項１３記載の方法。 １７、内境界および外周により画成されたシリコン粒子
   の加熱流動床反応帯域においてシラン含有ガスを熱分解
   することによって高純度多結晶シリコンを製造する方法
   において、 （ａ）反応帯域の外周に熱を供給し、 （ｂ）反応帯域の内境界に熱を供給する ことを特徴とする方法。 １８、流動床反応帯域は大径の円筒形外壁と、該大径の
   円筒形外壁内に同心に位置決めされた小径の円筒形内壁
   とにより画成された環状室であることを特徴とする請求
   項１７記載の方法。 １９、第１熱源が反応帯域の外周に熱を供給し、第２熱
   源が反応帯域の内境界に熱を供給することを特徴とする
   請求項１７記載の方法。 ２０、熱伝導に有効な反応帯域の内境界の表面積は外周
   の全熱伝導表面積の少なくとも約５０％であることを特
   徴とする請求項１７記載の方法。 ２１、第１および第２熱源は抵抗加熱であることを特徴
   とする請求項１９記載の方法。 ２２、外周および内境界を有する加熱流動床帯域を画成
   する手段と、流動床帯域の外周に熱を供給するための第
   １熱源と、流動床帯域の内境界に熱を供給するための第
   ２熱源とを備えていることを特徴とする改良加熱流動床