TWI465600B - 矽的噴流-流化床 - Google Patents

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Description

矽的噴流-流化床 相關申請案之互相對照
本申請案係依2005年7月19日申請之美國臨時性申請案No.60/700,964號主張權益，該申請案將併入本文供參考。
本發明係關於在流化床中使帶有矽之氣體熱解性分解以產生多晶矽。
多晶狀矽(多晶矽)係半導體及光電工業的重要原料。雖然在特定應用時有替代物，但多晶矽在可預見的未來還是較佳的原料。因此，增進多晶矽製造時的可用性及經濟性將可增加此二者工業之成長機會。
大多數之多晶矽係以矽烷或三氯矽烷作為帶有矽之氣體來源並藉由西門子(Siemens)之熱金屬絲法而製造。此帶有矽之氣體(其經常混合於其他惰性或反應氣體內)將進行熱解性分解並沉積於加熱之矽絲上。該絲之溫度需小心控制以便使多晶矽均勻地沉積，依此而產生平滑之多晶矽棒。西門子方法中每公斤製得之多晶矽需要大量能量，然後以大量手動的力氣將多晶矽棒轉變為晶體生長所需之更小的碎塊。
由於熱解性分解具有優異的質量傳導及傳熱性、增多之沉積面積及連續製造，在製造用於光電及半導體工業之多晶矽中許多人都認為在流化床中使帶有矽之氣體熱解性分解係一有吸引力的替代方案。與西門子－形式反應器比較時，在一比例之能量消耗下流化床反應器可提供相當大的生產率。流化床反應器也可連續且高度自動化操作而顯著地減低勞工成本。
大部份和帶有矽之熱解性分解作用相關的早先流化床反應器是使用傳統之分配盤以便導入流化氣體。此流化氣體典型地係為帶有矽之氣體與其他氣體的組合，且係以充足之總流速注入以使矽粒子流化。分配盤包含許多孔口，通常是朝向水平或向下。並有共同之增壓施於分配盤，如此所有流化氣體便同時地進入分配盤。由於在孔口之間並沒有氣體分布的控制，所有這些氣體本質上是不穩定的。分配器結構易於使矽沉積在該盤上，且會有很高的粉末製造量。在某些關於水冷卻之分配器盤的情況中沉積作用已減少。然而，此舉產生大量的熱沉而顯著地減低流化床反應器的能量效率。
美國專利5,810,934號係揭示具有單一噴流噴嘴(用於流化氣體)之流化床反應器。此噴流噴嘴不像典型之分配器孔口，其係朝上以便促成一噴流循環圖形。該噴流注入一運轉如傳統流化床之上部床內。此系統形態在本文中稱為“浸沒噴流床”。此噴流在下部區域提供調控良好之循環，同時流化床區域則提供完全轉化之所需逗留時間及“清洗”矽粉末以接觸熱的矽顆粒。
早先之矽噴流噴嘴之設計包括在噴流底部及其周圍減少粒子運動的區域。減少運動會讓最新形成且具有非鍵結之電子的矽粉末附著於噴流室之表面，形成不想要的矽沉積。接近噴流噴嘴之沉積物會完全地將噴嘴淹沒而減低矽生產率及時間。早先之設計提及使噴流噴嘴冷卻以便讓帶有矽之氣體的入口溫度維持在某一溫度下以防止矽沉積在噴流噴嘴內部，但並沒有提出在噴流室內矽沉積在噴嘴表面上或其周圍的基本論述。
因此，對藉由使帶有矽之氣體熱解性分解以有效形成多晶矽，及使矽沉積在流化之矽粒子上還持續著需求。
本文係說明使用浸沒噴流式床技術以製造多晶矽之有效技巧及設備，其係在反應容器內藉由使帶有矽之氣體熱解性分解並使矽沉積於經一或多個噴流所循環之流化的矽粒子或顆粒上而形成。各種說明之技巧及設備結構將提升矽生產效率。
為了最佳結果，用於產生浸沒噴流式床之噴嘴不應比平均顆粒直徑的25倍還大，且噴嘴速度應受限制。依此，單一個噴嘴只能提供有限量之流化氣體進入具有特定平均尺寸之粒子的容器中。
為了克服此一限制，可將多重平行之噴流浸沒於單一較大直徑之流化床內。為了優越及經濟之設計，此一進展可結合各別調控良好之噴流區域的方法利益與大型流化床之經濟效益。本文中具有多重噴流之系統稱為“多重浸沒噴流式床”。
多重浸沒噴流式床可具有二至十個或更多之浸沒噴流，端視容器直徑及形狀而定。當每一各別噴流係由分開的氣體供應來進料時，如此在每一噴流之流量及組成就可獨立地調控，就可達到最佳結果。這和具有分配盤(所有孔口都接收來自中央增壓之氣體且在孔口之間氣體分布並沒有任何控制)的流化床反應器有顯著的差異。在多重噴流與分配器盤之間的另一顯著差異是間隔。噴流噴嘴最好是以足夠之距離隔開以使噴流間之干擾減至最低。在多重噴流床中噴流噴嘴之間的最小距離應為約10公分，且每平方公尺噴流噴嘴數目應不大於五十個。對照下，分配器盤孔口典型地則間隔得太近。
沉積問題可藉由提高具有噴射緊鄰於噴流噴嘴的噴流結構而獲得解決。噴射式流動可浸透噴嘴周圍之粒子並使之流化，以維持噴嘴周圍之噴流底面積受限於帶有矽之氣體及矽粉末(其可另外地沉積)。此舉可維持生產率並確保長時間連續地製造多晶矽粒子。本文中這些靠近噴流噴嘴之噴射係稱為“第二噴射”，表示主要流動是在噴流噴嘴中。本文中此具有一或多個浸沒噴流及第二噴射之技巧乃稱為“擴大浸沒噴流式流化床”。本文中含有經向上流之流化氣體(來自多重浸沒噴流及第二孔口)所懸浮之流化矽粒子的容器係稱為“多重擴大浸沒噴流式流化床”反應器。第二孔口之形狀、與噴流之接近度、數量及方向都可以各種組合來使用以便控制靠近噴流噴嘴之粒子及氣體循環，及實質地排除噴流室內噴流噴嘴表面處的矽沉積。
噴流室沉積作用的可能性也可藉由使噴流噴嘴突出至噴流室而減低，依此可增進噴流周圍之運動並減少帶有矽之氣體與室壁之間的接觸。突出式噴嘴可設計成使停滯區域(其中矽粒子或粉末會附著)減至最小，同時使來自突出附近之粒子運動的侵蝕減至最低。可加添第二孔口以進一步減低在主要噴嘴周圍沉積的風險。
因此，在噴流室中減少或排除矽沉積之形成可透過使用靠近噴流噴嘴的第二噴射、噴流室設計、噴流噴嘴設計、及其組合來消除在每一噴流噴嘴或附近之停滯區而達成。為了進一步減少沉積作用之風險，也可使噴流噴嘴冷卻。
為了在反應器內使矽沉積在粒子上，流化氣體可包括“帶有矽之氣體”，也就是說選自矽烷(SiH4 )、二矽烷(Si2 H6 )、高級矽烷(Sin H2 n ＋ 2 )、二氯矽烷(SiH2 Cl2 )、三氯矽烷(SiHCl3 )、四氯矽烷(SiCl4 )、二溴矽烷(SiH2 Br2 )、三溴矽烷(SiHBr3 )、四溴矽烷(SiBr4 )、二碘矽烷(SiH2 I2 )、三碘矽烷(SiHI3 )、四碘矽烷(SiI4 )、及其混合物之氣體。此流化氣體也可包括“含鹵素之氣體”，如任何選自氯氣(Cl2 )、氯化氫(HCl)、溴(Br2 )、溴化氫(HBr)、碘(I2 )、碘化氫(HI)、及其混合物之氣體。最後，流化氣體還可包括“惰性氣體”，如氮氣(N2 )、氫氧(H2 )、氦(He)、氬(Ar)、氖(Ne)、或其混合物。經由任一組之噴嘴及孔口傳送到反應器內之全部氣體可組成流化氣體。最佳地係傳送一足以使至少大部份粒子在容器內流化，同時可讓大粒子分離到底部以利取回之數量的流化氣體。
傳送至該(等)噴流之帶有矽之氣體的數量應充分到能維持所需之使矽沉積到反應器內之粒子上的沉積作用。
來自帶有矽之氣體的矽係透過化學氣相沉積作用而沉積於床內之矽粒子，進而形成多晶狀矽(多晶矽)，但其也可均勻地分解而形成矽粉末，並經由清洗而沉積在矽粒子上，凝聚為小粒子，或者隨著廢氣以粉塵排除。化學氣相沉積及清洗會引起反應容器內之矽粒子成長。反應容器內之平均粒度係藉由優先地移除較大粒子、在反應器內產生新的小粒子(晶種)(自行加種晶現象)、使與移除之產物分離的晶種再循環、使經由壓碎一部份已移除之產物而產生的晶種再循環、或其任何組合，而維持在所需大小附近。
分解熱會以數種方式中任一者供應至反應器中，包括經由壁加熱器、經由其他能量來源(例如但不限於微波)、經由預熱帶有矽之氣體及其他流化氣體、使熱氣體加添到反應器部份、及經由其組合。另一種熱來源係將反應性物質通過至少一個第二孔口的噴射時，其可從噴流區域之反應性物質的放熱反應中釋出之能量來加熱該區域，並藉此加熱噴流中的粒子。反應溫度應在所使用之帶有矽之氣體的分解溫度與沉積溫度的範圍內。對以矽烷或高級矽烷為帶有矽之氣體的生產而言，最適宜之操作係在高於450℃的溫度下。操作壓力可從0.1巴至10巴，端視該帶有矽之氣體及其他生產要求而定。
圖1係顯示用於矽生產之多重擴大浸沒噴流式流化床反應器容器10。圖2及圖3係顯示該容器底部之詳細資料。該容器從底部(氣體入口)至頂部(氣體及粉末出口)界定出含括四個區域之腔室。最低區域為噴流室I，其中流入之流化氣體將通入噴流噴嘴18。該解說之系統是在單一噴流室內具有三個可產生三個平行噴流12之噴流噴嘴。如本文所說明，其他結構可一或多個分開之噴流室中使用一或多個各別調控之平行噴流。噴流室14是由塑造成使噴流循環穩定之壁16來界定，其包括由一或多個第二孔口20環繞的噴流噴嘴18。並提供一或多個產物出口22以便經由出口管線24取回會積聚在反應器底部的較大粒子。此產物出口管線24可具有經由供應管線27注入的逆流式氣體流26，以便在產物以重力方式流到產物操作處時使這些產物粒子除塵。氣體流26最佳地係由含鹵素之氣體、惰性氣體、或其混合物組成。可使用較高速度來夾帶較小之粒子並使之再循環回到反應器內。
通入噴流噴嘴18之氣體會在室14內產生浸沒噴流式循環，此循環具有來自噴嘴之經稀釋氣體與粒子的向上流動(噴流)12及圍繞著噴流且受室壁16限制之環面區域28內濃稠粒子的向下流動。在圓環域28中流下之粒子可被夾帶返回從噴嘴18向上運動的氣體內，並依此再進入另 一環路中的噴流12。相當大部份的帶有矽之氣體轉化為矽之作用可在噴流區14中進行，主要地是在噴流12內；而矽係沉積在粒子上或經由成核現象或磨擦而轉換為粉末。
噴流室上端係為過渡區(II)的起始點。每一噴流頂部30會脫離而進入此過渡區(II)內。此乃為下方發展為噴流12與上方發展為一般性流化床區之間的區域。此一過渡區靠近最大噴流高度，其可從相互關聯中估算並於冷惰性試驗中校驗。噴流頂部30最佳地係位於過渡區中。界定出該區域之壁32可為圓柱狀或錐形或其任何組合，但最佳結果可藉由在過渡區內使用某種類之錐形擴充而達成。該錐形可具有從垂直(0°)至陡峭(約45°)角度的寬廣範圍，但典型地係為環繞方式，或比橫臥之特定角度還陡峭。若角度太小則擴充效果就受到限制，然而若角度太淺，粒子會沉降並凝聚在過渡壁32上。錐形擴充能增加總面積而減低氣體速度，如此大粒子就可因重力之隔離而向下返回噴流室，並在該室之噴流中繼續成長，最後被除去。
過渡區可將氣體和粉末轉移到上方之濃稠的流化床區(III)，並與之交換粒子。流化床區(III)內之反應器壁經尺寸化的並塑造成於起泡式流化床中含有小珠。特定言之，流化床區之面積係設計成其表面速度適於維持緩慢的起泡床，如此大多數之粒子可良好混合，同時較大粒子將隔離而朝往底部並經由過渡區進入噴流床。本目標係使粒子保持在濃稠相起泡式流化床內，其中定義為氣泡40之稀釋氣體和粒子的小袋將向上流，並攪動定義為乳液42之濃 稠粒子與氣體的連續統一體。減少之氣體速率可增加氣體逗留時間以便讓殘留的帶有矽之氣體進行額外的轉化。因起泡作用所引起之劇烈混合可在氣體內的粉末與熱粒子之間產生優異的接觸，所以彼等可藉由清洗及退火而捕獲存在於粒子上的粉末。粉末粒子也可凝聚在彼等身上而形成充當為晶種物質之小粒子。此兩個機制可藉由從未轉化之帶有矽之氣體的矽沉積作用中進一步提高。經由規則之混合在噴流與流化床之間也會有某種粒子交換。當氣泡40經由床升高時彼等會凝結並長大。視所需之床高度而定，在該床區域內可有一或多個額外之錐形擴張以便進一步減低上部之流化速度。通過噴流噴嘴及第二孔口後應維持充分的總氣體流以使噴流上方之粒子能在起泡式流化床中流化。但在流化床區中可有數個通過容器壁之汽門44。額外之氣體可經由這些汽門進入流化床區以便提供熱及額外的流化，或是促進自行加種晶之磨擦。汽門也可用來使用於加種晶之小粒子或凝聚之粉末再循環，導入特殊之儀表或可行地取回具有不同於噴流室內之產物出口22之粒度分佈的產物。若需要時，可將內部零件加入於此區域中以促進較平順之流化及增加額外的加熱表面。
氣泡40係從流化床釋出而進入稀釋之自由空間區(IV)，其中小粒子可隨著氣體離開該床(III)，但較大粒子會脫離並後退到該床內。末速比氣體速度還小之小粒子或粉末會隨著離開之氣體而被夾帶出去。同樣地在自由空間區也有數個汽門。兩個主要汽門係粒子進料汽門46及氣體出口48。粒子進料汽門最好是為於飛濺區上方，而氣體出口最佳地是在輸送脫離高度(一個可穩定夾帶之高度)上方。如同在流化床區(III)中，可添加其他汽門44，以使小粒子再循環或可加添儀表。
在本文中，噴流室上方的三個區域，區域(II)、(III)及(IV)乃總稱為“上部床區”。
容器10及其他本文說明之容器係以在期望之壓力、溫度及應力要求或其他建造限制內可接受的材料建構。此容器可以具有高矽含量之材料製造，如高溫石英容器。此外，該容器結構也可以高溫合金建造，例如但不限於，耐熱性鎳鉻鐵合金(Incoloy)及HastalloyT M 合金。容器內壁50有些部份可用或不用能耐受操作溫度且能保護矽粒子不與結構性容器壁接觸的材料加襯。此類內襯可為任何高矽材料，例如但不限於，單及多晶狀矽(Si)、碳化矽(SiC)、覆有碳化矽之石墨(C)、二氧化矽(SiO2 )及氮化矽(SiN)。其他非矽物質可包括但不限於，碳化鎢(WC)及鉬(Mo)。此內襯的主要目的係在容器內或容器之區域內(大部份是在粒子密度最高的區域(I)至(III)內)提供非污染表面以面對矽粒子。
典型地，熱係藉由使用電阻式壁加熱器52來加熱在任何區域中之反應器內壁50的任何區域，進而添加到反應器中。其他方法也可形，例如但不限於，預熱進入反應器之氣體、微波加熱氣體或一部份反應器、輻射加熱或化學反應加熱。為了維持反應器內所添加的能量，應以絕緣體54環繞。
圖2A、4A及4B解說某些噴流室之詳細資料。帶有矽之氣體、含鹵素之氣體、惰性氣體、或其任何組合係經由垂直噴流噴嘴18、18a、18b以一足以在噴流室14、14a、14b內產生具特徵之噴流循環圖形的流速進入反應器中。此循環圖形係以噴流室14、14a、14b內從噴嘴18、18a、18b向上流的氣體與粒子之稀釋混合物為其特徵。此乃為噴流12、12a、12b，並且不同於流化床分配器之噴射(因為其狹窄細長且沒有噴射之特有的風扇形狀)。再者，噴流是連續又穩定且沒有分配器噴射典型的波動。當浸沒噴流到達最大高度時，最後會崩塌並***而進入上方過渡區。稀釋噴流被沿著噴流室之壁16、16a、16b向下流回噴流出口18、18a、18b的同中心、環狀、濃稠粒子流28、28a、28b所圍繞。通過噴流噴嘴18、18a、18b之氣體流速係設定為可達到高於“最小噴流速度”，同時維持“最大噴流高度”的流速，如此噴流頂部30就不會實質地延伸越過噴流室末端而進入過渡區(II)。最小噴流速度及最大噴流高度可從噴流床文獻之相互關聯中估算，在於試驗中校驗。
適當的噴流噴嘴之設計可提供穩定的噴流。典型地，噴嘴將設計為高速度但有限度之壓降以容許最大的調控。較有利的，但並非總是需要的是，在靠近噴嘴卸放處具有約束56、56a、56b以便儘可能地穩定噴流。此約束可如解說之錐形漸縮小，但許多其他構形也可以，範圍從沒有任何約束到峰利邊緣孔口及具有可增添旋轉或額外運動以提升噴流特性的綜合設計。
圖5顯示更詳細之噴嘴，該噴嘴具有圍繞在噴流噴嘴18的冷卻通道58。當該噴流噴嘴之氣體預熱到儘可能地接近沉積溫度時，此一安排可使表面溫度維持低於噴嘴18周圍之矽沉積溫度，而第二噴射溫度則可行地高於此溫度。使表面溫度維持低於矽沉積溫度可避免矽沉積在噴嘴表面。
如4B及6A所示，噴流噴嘴18b可突出於噴流室。此舉可進一步抑制帶有矽之氣體與熱噴流室壁的接觸。此一突出可為任何長度，如噴嘴18b之尖端19b般長，尖端19b係定義為氣體進入容器並保留在噴流室內的點。因此該尖端不可延伸入過渡區。
如圖2C及3所解說，圍繞在每一噴流噴嘴的是一或多個第二孔口20。惰性氣體、含鹵素氣體、或其混合物經由該(等)第二孔口20進入以產生可促進及維持粒子在環面區域內及靠近噴流噴嘴處運動之噴射60，因為停滯可能導致矽沉積及生產中斷。這些第二噴射60的主要用途係稀釋靠近噴流噴嘴18之區域，刺激粒子循環，以及提高粒子在噴流噴嘴附近運動，如此就不會產生樹枝狀晶體形成的位置。當帶有矽之氣體以適度地高於臨界成核溫度導入反應器內且對沉積作用很敏感時，該等第二噴射將特別有效用。此類沉積與停滯區域結合，最後會導致顯著的矽沉積而讓生產停止。適當地放置第二噴射可抑制矽沉積成長。
凝聚及矽沉積的最大可能性區域62乃解說於圖2B。雖然最有效之區域是靠近噴流噴嘴18，但該區域包含大部份的噴流室壁16，在該壁16中高濃度的帶有矽之氣體在高於臨界成核溫度的溫度下會接觸到壁或停滯之粒子。由於第二噴射60可促使粒子夾帶到噴流12內，所以彼等可增加噴流粒子密度。此舉可增進矽沉積速率，將轉化作用移到粒子成長，而不是粉末生成。因此，第二噴射60也可用於一般性操作及控制上。
圖5顯示第二孔口20之垂直定向，α，同時圖7則解說水平噴射方向β。圖5係顯示具有噴射60傾斜朝向噴流18以便強制粒子靠近該噴流並流入該噴流的具體實施例。相對於垂直線之角度α可在約15°至165°之間變化，90°是垂直線，亦即如圖5之解說，會與噴嘴中線64平行。圖4A顯示了實質上為垂直延伸之噴嘴60a。圖7解說了可行之噴射定向，其是從上往下看。從頂端往下看的每一噴射60可在噴流噴嘴之中線64(水平角度β=0°)下由任何處從放射狀往內直接地朝向相對的方向，即放射狀向外(β=180°)。換句話說，第二孔口20係安置成使氣體以相對於孔口中線與噴流(經由噴流噴嘴產生)中線64之間的線成0°至180°角度(0°即為該線本身)水平方向延伸的噴射方式向上注入該腔室內。在圖7中，解說了有關每一孔口20之兩個可行的水平定向。第一個解說之可行的噴射定向是放射狀往內，水平角度β=0°。第二個解說之可行 的噴射定向是水平角度β=約50°，其可促成一圍繞著噴流之渦流。應明瞭的是，雖然圖7是為解說之故而顯示兩個噴射定向，但實際上每一經解說之孔口20只可產生單一噴射。任何特定噴射之方向可為上述垂直角度α及水平角度β的任何變化。
慣例上第二孔口可如圖1-3所示般放置在相同的仰角。或者，為了更大的控制，第二噴射可以二或多個仰角提供。舉例之，圖6A係顯示具有單一突出式噴流噴嘴、可產生垂直定向噴射60c之垂直的較低處第二孔口20c，以及可產生有角度之噴射60a的有角度之上部第二孔口20a之系統。
第二孔口設計之實例乃於圖5中解說。典型地氣體進料通路之長度係至少數倍於第二孔口20直徑，依此可產生適於排除樹枝狀晶體之方向性噴射。孔口20可為圓形、橢圓形、矩形、或其他方面之形狀，端視所需流動圖形及總噴流室設計而定。
典型地，在第二孔口中並沒有任何內部零件，但選項上確實可包括添加內部零件以便將流動調整為可促進噴流穩定、噴流循環及噴流環面質量轉移。每一孔口20係以從孔口至噴流噴嘴開口最佳地為約0.2公分或以上之水平距離與噴流噴嘴18側向隔開。第二孔口最好係以高於噴流噴嘴表面的仰角放置，且應位於其所產生之噴射可影響噴流形狀及/或噴流循環的距離上。在某些例子中，較有效的是放置至少一個第二孔口以注入含鹵素之氣體，以便 在噴流區內維持容器壁被蝕刻。最佳之放置將視所需之流動圖形及總噴流室設計而定。
圖4-6顯出通用之開放增壓66，其可將氣體傳送到圍繞於噴流噴嘴18的整組第二孔口20處。其他選項可包括但不限於，將內部零件加到第二增壓以提供渦流作用，進而穩定噴流或增加在噴流與環面之間的質量轉移。另一選項係添加增壓內部零件以確保每一孔口的平均分布，其還包括排除增壓之選項及在每一孔口20使用各別的流量控制。
最好能選擇噴流室14之形狀以促進環面28良好的連續性粒子流。合宜的是沿著圍繞在向上噴流的環面使具有連續性濃稠微粒之向下流動。若粒子有凝聚傾向時，重要的是要避免停滯區域。
粒子應導向噴流噴嘴以便再夾帶入噴流內。圖4A及4B敘述解決此論點的許多方案中之二者。圖4A中之陡峭橢圓形狀可確保沿著環面壁16a之平順流動並一路上再回到噴嘴18a。如圖6A及6B所示，具有角度γ之圓錐形底部也可達成相同形式的流動，然而陡峭的角度可能會產生使停滯粒子躲藏起來的區域。在噴流室中最好是使噴流與反應器壁維持安全的距離，因為噴流將擁有高濃度含矽之氣體，所以若其太靠近加熱之反應器壁，就會引起過度的沉積作用。因此，除了促進平順的粒子流之外，最好是使壁與噴流維持某些距離。這就是為何建議在該腔室底部靠近噴流噴嘴處較不陡峭或甚而平面的原因。圓錐底部最極 端的例子係當錐角γ為0°時。此乃所謂平面底部噴流室，其實例出現在圖4B。另一探討係提供具有多個增加陡度之圓錐體的底部。其可用來設計噴流室，如此可維持流動同時又可避免可能之高碰撞區或高速區(在其中粒子會引起過度侵蝕)。如圖6A解說之突出式噴嘴18b也可增加到壁的距離而減少壁沉積之風險。
其他考慮也可採用，包括材料之選用以避免含鹵素之氣體積聚的區域及可能之促進腐蝕。若噴流室直徑太寬，會有靠近壁16之粒子停滯層，其將減低傳熱，甚而會引起凝聚，最後有樹枝狀晶體形成。正確的空間尺寸將視所需之噴流大小及流速而定，並可經由熟諳噴流床此藝者從噴流床文獻和實驗之相互關聯中估算。當直徑必需寬廣以避免與帶有矽之氣體接觸時，該運動也可藉由額外之第二氣體誘導以使環面流化。
如圖1-3所示，靠近噴流12處有一產物出口22，其係接近噴流室底部以確保在噴流室中分離之較大粒子能優先取回。應小心操作，如此產物之取回才不會擾亂噴流之粒子運動。可將小型之向上流從取回氣體入口汽門27中導入產物出口22以使隨著產物離去之粉塵量減至最低。對除塵而言，最好是有充足的流動，同時要低到不足以干擾噴流循環。對噴流室14中的3個瓣輪而言，出口22可為其共有之出口。在此例子中應小心設計噴流室和出口以使來自出口及共有部份之影響減至最小。為了使對循環之衝擊及噴流的穩定減至最小，在噴流室內並沒有任何額外 的***物或汽門。
熱可以許多方式加到反應器中，如美國專利5,810,934號所揭示。加熱的主要模式係預熱注入噴流噴嘴及/或第二孔口內之氣體，以及如圖1所解說，加熱具有壁式加熱器52之反應器壁50。這些加熱器52可全部沿著反應器放置，但最好是只沿著有大密度且混合良好之粒子的壁放置，因在此處傳熱效率最高，但並沒有限制。熱氣體也可經由流化床區的額外汽門44加入。反應器應被絕緣體環繞以使熱損失減至最低。絕緣體54可為各種材料。
多重噴流可依兩個主要類別(開放或密閉結構)中的許多不同方式安排。圖1-3係描述具有噴流室14的開放結構，該室14擁有三個同中心繞著一共有之中央底部出口22的相同瓣輪。每一瓣輪很明顯地都有其形狀以便促進噴流噴嘴之圓周內的噴流/環面之粒子移動，同時對與其他腔室共有之中央出口而言其有一部份的圓周是開放的。由於腔室14對中央出口22是開放的，所以彼等在容器中央可共有向下流之環面部份29。每一噴流都不同，所以最好以各別之氣體流控制。雖然在各別的噴流12之間有某些粒子混合，但此並不會引起噴流之不穩定，因為彼等係根據多重噴流床設計標準隔開。為了使各別噴流對其他者的影響減至最少，噴嘴中線與噴嘴中線的距離不應小於約10公分，且在大型商業反應器中最好是使孔口密度維持在每平方公尺50個以下。圖2係解說瓣輪中之一者的獨立噴 流圖形。此開放設計並不限於所示之三瓣輪式噴流室，但為了使更多各別之瓣輪維持一合理之生產控制會有某些演練上的限制。每一噴流噴嘴可提供一或多個第二孔口20。當提供一個以上之第二孔口20時，這些第二孔口應圍著噴流噴嘴18而隔開。開放結構的另一利益係共有的環面區之間的交互作用效應，其可增加磨擦，因而可增加自行加晶種的程度。
密閉結構最佳地係描述於圖8及9，其具有二或多個分開的噴流室。每一經說明之噴流室114、114a、114b、114c完全和其他者分開。在解說之系統中，每一噴流室包含一個噴流，但在另一具體實施例中二或多個噴流也可含括於一個噴流室內。每一噴流室可具有自己的產物出口122，其係毗鄰於噴流噴嘴，再送入共同出口170。此系統也可設計有分開之過渡區(II)及/或流化床區(IIIa)，再釋出到共同流化床區(IIIb)。過渡區所解說之尺寸只是範例，其他高度或形狀都是可行的。共同產物出口之頭部172可具有一來自取回氣體注射器噴嘴176之強烈的逆流氣體流174，以便經由垂直、或接近垂直之汽門178將所有尺寸過小之粒子吹回到反應器之自由空間及主要的流化床中。此汽門178也可經由溢流而用來確保主要流化床的最大床高度。對三個實例結構而言，圖9A、9B及9C係解說具有過渡區之多重噴流室是如何連接到共同流化床。各種解說系統僅僅是範例，並沒有限制或排除其他結構。
反應器可具有每一噴流室之氣體流的各別控制，以便能完全控制噴流穩定性。圖10係解說用於圖1－3所述之開放結構反應器的可行之流量控制系統。舉例之，帶有矽之氣體、含鹵素之氣體、及惰性氣體的預熱混合物可利用在每一氣體來源進料管線82上之各別流量控制80而導入每一噴流噴嘴18中，以確保適當且穩定之流進入每一噴嘴18。另一可行性係各別地控制每一氣體之入每一噴嘴，甚至還控制溫度。此類結構之好處是，若在任何噴流中觀察到任何壓力或流動異常時，就可關掉帶有矽之氣體及含鹵素之氣體，同時維持好惰性氣體在噴流速度內。從此類氣體流之控制安排來看，圖1－3之開放設計將有大大助益，因為在全部三個噴流上延續噴流可幫助維持最佳的流動圖形。如圖8之封閉設計就更寬厚了，其可忍受沒執行好之噴流完全停工。每一第二氣體供應進料管線86上之各別流量控制84可用來確保進入每一第二孔口之氣體流適當又穩定。第二流動中之壓力或流動異常也可受到保證而停止帶有矽之氣體或含鹵素之氣體進到該噴流室。如早先所述，雖然對每一噴流室而言，典型地只要控制該噴流室內整組孔口的總流量就已足夠，但也可選擇性控制每一獨立之第二孔口。
獨立氣體進料控制的其他方面也有效用。溫度可藉由調節導入第二孔口20之氣體而受到控制，通常是含鹵素之氣體與惰性氣體的預熱混合物。或者若適當的話，也可將冷卻氣體注入第二孔口。氣體，如惰性氣體，特別是氬、氮、或其混合物可注入第二孔口內以便在反應容器內減低氫氣之分壓。如先前所述，選擇性地將含鹵素之氣體注入一或多個第二孔口中以維持容器壁在噴流區內被蝕刻，有時也很有用。
實施例1－冷卻之噴嘴對排除樹枝狀晶體之影響
反應器系統係如圖1－3解說之具有三個噴流環繞在共同中央出口的開放結構系統。每一噴嘴尖端為水冷卻以便維持表面溫度不高於100℃。每一噴流噴嘴則供應預熱至300℃之600slm氫與100slm矽烷的混合物。將預熱至200℃之約100slm之氫氣分配到圍繞於噴嘴的每組六個之第二孔口中。自由空間區(IV)之壓力控制在0.35 barg。噴流室之壁約有650℃，同時流化床區之壁溫則適度高於700℃。測量床溫度係約690－700℃。操作數天後，在主要噴嘴或靠近噴嘴處並沒有沉積的跡象。
當關掉噴嘴冷卻時，在相同條件下只要幾天後就發生顯著沉積。
實施例2－第二氣體對突出式噴嘴之影響
反應器系統如圖1之開放結構，但沒有噴嘴尖端的冷卻。圖4B所示噴嘴是突出數英吋再進入噴流。每一噴流噴嘴供應預熱至150℃之600slm氫與100slm矽烷的混合物。沒有任何氫氣分配到圍繞於每一噴流噴嘴的六個第二孔口中。自由空間區(IV)之壓力控制在0.35 barg。使噴流區(I)之壁加熱至高於臨界成核溫度，但低於Tamman溫度以使沉積減至最少，同時流化床區(III)之壁溫則適度地加熱至高於Tamman溫度以促進粉末之清洗及退火。測量噴流環面溫度為675℃，床過渡溫度為690℃，而流化床溫度為710℃。當只操作數天後即停止生產，會有顯著沉積，在環繞噴嘴表面處每噴嘴有0.3公斤，並在噴嘴上開始生長。此乃證明需要第二孔口以排除沉積物。
當在相同條件下操作，但圍繞著每一噴嘴的每組六個第二孔口都使用約100slm氫時，差不多14天操作後在主要噴嘴或靠近噴嘴處並沒有沉積的跡象。
實施例3－噴流穿透及各別噴流行為之檢驗
反應器系統和實施例1及實施例2類似，但以透明樹脂玻璃柱狀物替代反應器。主要噴嘴直徑0.375英吋。所有流都是室溫之氮氣，而床上方之壓力為0.2大氣壓。
這些試驗之目的係要檢驗噴流穿透高度對文獻之相互關聯。噴流穿透流係藉由在一特定粒度分佈及床水平下增加主要噴嘴流速而測量。噴流穿透該床之時的流將是該噴流高度的最小流。
第一組試驗係使用平均直徑0.95公釐之小珠。
1)將50公斤小珠裝填到反應器內使產生45公分的固定床高度。
2)進入三個主要噴嘴的總氮氣流係在1000 slm與1700 slm之間，而進入第二孔口的總氮氣流在100 slm與300 slm之間。
3)在45公分下完成試驗後，卸除17公斤使固定水平下降至約33公分，重複流的變化。
4)在33公分下完成試驗後，卸除13公斤使固定水平下降至約20公分，重複流的變化。
第二組試驗係使用平均直徑0.5公釐之小珠。
1)將50公斤小珠裝填到反應器內使產生45公分的固定床高度。
2)進入三個主要噴嘴的總氮氣流係在1000 slm與1700 slm之間，而進入第二孔口的總氮氣流在100 slm與300 slm之間。
3)在45公分下完成試驗後，卸除17公斤使固定水平下降至約33公分，重複流的變化。
4)在33公分下完成試驗後，卸除13公斤使固定水平下降至約20公分，重複流的變化。
在每一床水平下測量之噴流穿透係顯示於表I中，並與數個文獻中相關之數值一起。主要的觀察如下：－關於0.95公釐小珠，該系統在所有三個噴嘴中都表現像是具有清楚噴流之良好噴流床。噴流高度及流都和大型系統的關聯性相配。
- 較小的顆粒實際上並沒有噴流，但床卻可良好流化。此舉符合孔口直徑需比適當噴流之平均粒子直徑大但小於25倍的相互關聯。在此一例子中下噴嘴是比平均粒子直徑大約20倍，所以若存在時，噴流將非常小。
- 第二流有顯著的影響。增加第二流時可藉由增加噴流中的固體物數量而加寬噴流並使噴流速度慢下來。當噴流更普及，具有較大粒子之此一結果就更明確。
雖然本文說明了各種具體實施例，但在本發明範圍內可根據熟諳此藝者之共通常識進行許多修改或修正。此類修正包括本發明任何方面之已知對等物的取代，以便實質地依相同方式達成相同結果。
I．．．噴流室
II．．．過渡區
III．．．流化床區
IIIa．．．分開之流化床區
IIIb．．．共同流化床區
IV．．．自由空間區
2．．．線
3．．．線
7．．．線
9．．．線
10．．．用於矽生產之多重擴大浸沒噴流式流化床反應器容器
12．．．平行噴流
12a．．．噴流
12b．．．噴流
14．．．噴流室
14a．．．噴流室
14b．．．噴流室
16．．．壁
16a．．．壁
16b．．．壁
18．．．噴流噴嘴
18a．．．噴流噴嘴
18b．．．噴流噴嘴
19b．．．尖端
20．．．第二孔口
20a．．．有角度之上部第二孔口
20b．．．有角度之第二孔口
20c．．．垂直之較低處第二孔口
22．．．產物出口
24．．．出口管線
26．．．逆流式氣體流
27．．．氣體供應管線
28．．．環面區域
28a．．．環狀粒子流
28b．．．環狀粒子流
29．．．環面部份
30．．．噴流頂部
32．．．壁
40．．．氣泡
42．．．乳液
44．．．汽門
46．．．粒子進料汽門
48．．．氣體出口
50．．．反應器內壁
52．．．電阻式壁加熱器
54．．．絕緣體
56．．．約束
56a．．．約束
56b．．．約束
58．．．冷卻通道
60．．．第二噴射
60a．．．有角度之噴射
60b．．．有角度之噴射
60c．．．垂直定向之噴射
62．．．凝聚及矽沉積的最大可能性區域
64．．．噴嘴中線
66．．．通用之開放增壓
α．．．垂直定向
β．．．水平噴射方向
γ．．．錐角
80．．．流量控制
82．．．氣體來源進料管線
84．．．流量控制
86．．．第二氣體供應進料管線
114．．．噴流室
114a．．．噴流室
114b．．．噴流室
122．．．產物出口
170．．．共同出口
172．．．共同產物出口之頭部
174．．．逆流氣體流
176．．．取回氣體注射器噴嘴
178．．．汽門
在各圖中：
圖1係一用於矽生產之開放構造多重擴大浸沒噴流式流化床反應器的示意性橫切面正面圖，該反應器具有橢圓形腔室、三個噴嘴及中央取回。
圖2A係圖1之噴流室的放大之部份示意性橫切面正面圖。
圖2B係圖1之噴流室的放大之部份示意性橫切面正面圖，描述無法控制之矽沉積可能發生的地區(陰影)。
圖2C係圖1之一個噴流噴嘴的放大之部份示意性橫切面正面圖。
圖3係沿著圖1之線3－3所截取之放大示意性橫切面圖。
圖4A係一橢圓形底部噴流室的示意性橫切面正面圖，其係用於矽生產之浸沒噴流式流化床反應器，並具有單一個噴嘴及側邊取回。
圖4B係一扁平底部噴流室的示意性橫切面正面圖，其係用於矽生產之浸沒噴流式流化床反應器，並具有單一個突出式噴嘴及側邊取回。
圖5係噴流式流化床噴流噴嘴之示意性橫切面正面圖，其具有用於矽生產之浸沒噴流式流化床反應器的第二孔口。
圖6A係一圓錐形底部噴流室的示意性橫切面正面圖，其係用於矽生產之浸沒噴流式流化床反應器，並具有單一個突出式噴嘴、垂直之較低處第二孔口、有角度之上部第二孔口及側邊取回。
圖6B係一圓錐形底部噴流室的示意性橫切面正面圖，其係用於矽生產之浸沒噴流式流化床反應器，並具有單一個噴嘴、有角度之第二孔口及側邊取回。
圖7係從上觀看之浸沒噴流式流化床反應器的示意性橫切面圖，描述具有六個第二孔口之噴流噴嘴。
圖8係一用於矽生產之封閉構造多重擴大浸沒噴流式流化床反應器的示意性橫切面正面圖，該反應器具有多個橢圓形底部噴流室，而每一噴流室具有單一個噴嘴、側邊取回及可行之中央溢流取回。
圖9A係沿著圖8之線9－9所截取之縮小示意性橫切面圖，其敘述一具有四個各別噴流室且每一室具有側邊取回以進入中央出口的具體實施例。
圖9B係沿著圖8之線9－9所截取之縮小示意性橫切面圖，其敘述一具有六個各別噴流室且每一室具有側邊取回以進入中央出口的具體實施例。
圖9C係沿著圖8之線9－9所截取之放大示意性橫切面圖，其敘述一具有十個各別噴流室且每一室具有側邊取回以進入中央出口的具體實施例。
圖10係一流量控制系統之示意圖，其係用於矽生產之開放構造多重擴大浸沒噴流式流化床反應器，並具有三個獨立調控之噴流噴嘴及三組獨立調控之第二孔口組。
10．．．用於矽生產之多重擴大浸沒噴流式流化床反應器容器
12．．．平行噴流
14．．．噴流室
16．．．壁
18．．．噴流噴嘴
20．．．第二孔口
22．．．產物出口
24．．．出口管線
26．．．逆流式氣體流
28．．．環面區域
30．．．噴流頂部

Claims (36)

  1. 一種加熱式矽沉積之反應器系統，包括：多數個矽粒子；具有可界定含有該等粒子之腔室之壁的一容器；至少一個具有開口的噴流噴嘴，該噴流噴嘴係安置成使帶有矽之氣體向上注入該腔室內，以便在噴流中使粒子循環；以及至少一個位在與該噴流噴嘴側向隔開之位點的第二孔口，其係安置成使氣體以並排地或對著該噴流之向上延伸的噴射方式注入該腔室內，且該噴射會影響該噴流形狀。
  2. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其包括數個在每一噴流噴嘴周圍隔開之第二孔口。
  3. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中至少一個第二孔口係安置成使氣體以實質上垂直延伸之噴射方式向上注入該腔室內。
  4. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中至少一個第二孔口係安置成使氣體以相對於水平線15°至165°之角度(90°則與噴嘴中線平行)延伸的噴射方式向上注入該腔室內。
  5. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中至少一個第二孔口係安置成使氣體以相對於孔口中線與經由該噴流噴嘴產生之噴流中線之間的線，成0°至180°角度(0°即該線本身)水平方向延伸的噴射方式向上注入該腔室內。
  6. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中至少一 個第二孔口係安置成使氣體於一位置以噴射的方式注入，且該位置之噴射會影響噴流形狀。
  7. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，包括：至少兩個噴流噴嘴；及一流量控制器，其係連接到每一噴流噴嘴並可操作以各別地控制氣體流入每一噴流噴嘴。
  8. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，包括：與該噴流噴嘴相鄰之一組至少兩個的第二孔口；及一流量控制器，其係連接到一或多個在該噴流噴嘴周圍之該第二孔口，並可操作以各別地控制氣體流至一或多個該第二孔口。
  9. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中至少一個第二孔口係以離該噴流噴嘴周界超過0.2公分水平地放置，並充分地靠近該噴流噴嘴以影響噴流。
  10. 如申請專利範圍第1項之反應器系統，其中該腔室係設置為具有至少兩個區域，包括：至少一個噴流室，其包含該至少一個噴流噴嘴及噴流；以及一上部床區域，其係與該至少一個噴流室相通並位於其上方，以便接收從該至少一個噴流室中向上移動之氣體。
  11. 如申請專利範圍第10項之反應器系統，其中至少一個噴流噴嘴具有位於該室底部上方且在該上部床區域下面的一尖端。
  12. 一種加熱式矽沉積之反應器系統，包括： 多數個矽粒子；具有可界定含有該等粒子之腔室之壁的一容器；以及至少兩個隔開之噴流噴嘴，每一個係安置成使帶有矽之氣體向上注入該腔室內，以便在噴流中使粒子在該噴嘴周圍循環。
  13. 如申請專利範圍第12項之反應器系統，其進一步包括一流量控制器，其係連接到每一個噴流噴嘴，並可操作以各別地控制氣體流入每一個噴流噴嘴。
  14. 如申請專利範圍第12項之反應器系統，其包括至少三個隔開之噴流噴嘴，每一噴流噴嘴具有安置成使氣體向上注入該腔室內的開口，以便在噴流中使粒子在該噴嘴周圍循環，該等噴流噴嘴係以每一噴流噴嘴之中線離最靠近之其他兩個噴流噴嘴的中線實質上水平地等距之方式放置。
  15. 如申請專利範圍第14項之反應器系統，其中：噴流噴嘴之間的最小水平距離係10公分；及該等噴流噴嘴的水平間隔係使每平方公尺噴流噴嘴之數目不大於五十個。
  16. 如申請專利範圍第14項之反應器系統，其中該腔室係設置為具有至少兩個區域，包括：一或多個噴流室，其包含該等噴流噴嘴及噴流；以及一上部床區域，其係與該一或多個噴流室相通並位於其上方，以便接收從該一或多個噴流室中向上移動之氣體。
  17. 如申請專利範圍第16項之反應器系統，其中至少 一個第二孔口係與該噴流噴嘴中至少一者側向隔開，並安置成使氣體以並排地或對著該噴流之向上延伸的噴射方式注入該腔室內。
  18. 申請專利範圍第16項之反應器系統，其中該壁係界定至少兩個分開的噴流室，其每一個包含至少一個該噴流噴嘴。
  19. 申請專利範圍第18項之反應器系統，其中每一噴流室包含單一之噴流噴嘴。
  20. 申請專利範圍第18項之反應器系統，其中每一噴流室包含至少兩個噴流噴嘴。
  21. 如申請專利範圍第16項之反應器系統，其中：至少一部份之該上部床區域係經尺寸化並塑形以含有起泡式流化床中的珠子；以及該反應器系統進一步包括一氣體來源，其係以可充分地使粒子在該上部床區域之該部份中流化的總氣體流供應至該容器內，且該上部床區域之該部份係經尺寸化並塑形以含有起泡式流化床中的珠子。
  22. 如申請專利範圍第16項之反應器系統，其中該壁係界定一單一之噴流室，其包含所有該噴流噴嘴。
  23. 如申請專利範圍第22項之反應器系統，其中該噴流室包含三個噴流噴嘴。
  24. 如申請專利範圍第16項之反應器系統，其中該噴流噴嘴具有一位於該室底部上方且在該上部床區域下面的尖端。
  25. 一種加熱式矽沉積之反應器系統，包括：多數個矽粒子；具有可界定含有該等粒子之腔室之具有內表面之壁的一容器，至少一部分的內表面為鉬；以及至少一個具有開口的噴嘴，該噴嘴係安置成使帶有矽之氣體向上注入該腔室內，以便在該容器中使粒子循環。
  26. 一種使矽沉積在容器內部之粒子上的方法，該方法包括：使帶有矽之氣體經由噴流噴嘴向上注入一含有矽粒子之腔室內，以便在該腔室中提供噴流並使粒子維持在一噴流床中；維持該等粒子在可充分地使矽從該帶有矽之氣體中沉積於粒子上的溫度；以及將氣體注入至少一個第二孔口，此孔口係位在與該噴流噴嘴側向隔開的位點，且其具一孔口係安置成使氣體以並排地、朝向或遠離該噴流之向上延伸的噴射方式注入該腔室內，且該噴射會影響該噴流形狀。
  27. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括調節並引導氣體流入該至少一個第二孔口以產生至少一個抑制矽沉積物增長的噴射。
  28. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括在將氣體注入該至少一個第二孔口之前加熱該氣體。
  29. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括在將氣體注入該至少一個第二孔口之前冷卻該氣體。
  30. 如申請專利範圍第26項之方法，其中注入該至少一個第二孔口之該氣體包含一適於減低該容器內之氫分壓的氣體。
  31. 如申請專利範圍第26項之方法，其中注入該至少一個第二孔口之該氣體包括氬、氮、或其混合物。
  32. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括調節並引導氣體流入該至少一個第二孔口以產生至少一個影響噴流之形狀的噴射。
  33. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括將含鹵素之氣體注入該至少一個第二孔口以使該容器壁在噴流區域中被蝕刻。
  34. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括將一反應性物質注入該至少一個第二孔口，以便藉由此反應性物質在噴流區域之放熱反應所釋出的能量來加熱該噴流區域，反應所產生之能量數量足以加熱在該噴流中之粒子。
  35. 如申請專利範圍第26項之方法，其進一步包括維持充足之總氣體流通入該至少一個噴流噴嘴和該至少一個第二孔口中，以使粒子在起泡式流化床中流化。
  36. 一種使矽沉積在容器內部之粒子上的方法，該方法包括：使帶有矽之氣體經由至少兩個噴流噴嘴向上注入一含有矽粒子之腔室內，以便在該腔室中提供至少兩個噴流；及維持該等粒子在可充分地使矽從該帶有矽之氣體中沉 積於粒子上的溫度。
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