(57)【要約】ポリシリコンが、シリコン含有ガスの熱分解およびシリコンの堆積により、流動化されたシリコン粒子の上に形成される。複数の複数沈降噴流層リアクター（１０）および二次オリフィス（２０）を有するリアクターが開示されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシリコン粒子と；
粒子を収容するチャンバーを規定する壁を有する容器と；
沈降噴流中で粒子を循環させるために、シリコン含有ガスをチャンバーの中に上向きに注入するよう位置決めされた開口を有する少なくとも１つの噴流ノズルと；
噴流ノズルから横方向に間隔を開けて配置され、上向きに噴流に沿って延びるか、あるいは、噴流に向かって延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に注入するよう位置決めされた、少なくとも１つの二次的オリフィスと；
を備えることを特徴とする加熱シリコン堆積リアクターシステム。
【請求項２】
各噴流ノズルの周囲に間隔を開けて配置された複数の二次的オリフィスを、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載のリアクターシステム。
【請求項３】
少なくとも１つの二次的オリフィスが、実質的に垂直方向に延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に上向きに注入するよう位置決めされていることを特徴とする請求項１または２に記載のリアクターシステム。
【請求項４】
少なくとも１つの二次的オリフィスが、９０°がノズルの中心線と平行であるとしたとき、水平に対し１５°から１６５°の角度で延びるジェットとして、ガスをチャンバーの中に上向きに注入するよう位置決めされていることを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項５】
少なくとも１つの二次的オリフィスが、オリフィスの中心線と噴流ノズルによって作られた噴流の中心線との間のラインに対し、０°がライン自身であるとしたとき、０°から１８０°の角度で水平方向に延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に上向きに注入するよう位置決めされていることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項６】
少なくとも１つの二次的なオリフィスが、ジェットが噴流の形状に影響を与える位置でジェットとしてガスを注入するよう位置決めされていることを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項７】
少なくとも２つの噴流ノズルと；
各噴流ノズルに接続されるとともに、各噴流ノズルを通るガスの流れを個々に制御できる流量コントローラーと；
を備えることを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項８】
噴流ノズルに近接して設けられた少なくとも２つの二次的オリフィスのセットと；
噴流ノズルを囲む１つ以上の二次的オリフィスに接続されるとともに、１つ以上の二次的オリフィスに対するガスの流れを個々に制御できる流量コントローラーと；
を備えることを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項９】
少なくとも１つの二次的オリフィスが、噴流に影響を与えるために、噴流ノズルの周囲から０．２ｃｍ以上離れるとともに噴流ノズルに十分近い、水平方向に位置することを特徴とする請求項１−８のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項１０】
チャンバーが：
少なくとも１つの噴流ノズルと沈降噴流とを含む少なくとも１つの噴流チャンバーと；
少なくとも１つの噴流チャンバーから上向きのガスの動きを受けるために、少なくとも１つの噴流チャンバーと連通するとともにその上に配置される上側のベッド領域と；
を含む少なくとも２つの領域を有するよう構成されていることを特徴とする請求項１−９のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項１１】
少なくとも１つの噴流ノズルが、チャンバーの床よりも上で上側のベッド領域よりも下に位置する先端部を有することを特徴とする請求項１０に記載のリアクターシステム。
【請求項１２】
複数のシリコン粒子と；
粒子を収容するチャンバーを規定する壁を有する容器と；
沈降噴流中でノズルの周囲に粒子を循環させるために、各々がシリコン含有ガスをチャンバーの中に上向きに注入するよう位置決めされた、少なくとも２つの離間して設けられた噴流ノズルと；
を備えることを特徴とする加熱シリコン堆積リアクターシステム。
【請求項１３】
各噴流ノズルに接続され、各噴流ノズルを通してガスの流れを個別に制御可能な、流量コントローラを備えることを特徴とする請求項１２に記載のリアクターシステム。
【請求項１４】
各々が沈降噴流中でノズルの周囲に粒子を循環させるために、ガスをチャンバーの中に上向きに注入するよう位置決められた開口を有し、噴流ノズルが、各噴流ノズルの中心線が最も近い２つの異なる噴流ノズルの中心線から水平方向に実質的に等間隔であるよう配置された、少なくとも３つの離間して設けられた噴流ノズルを備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載のリアクターシステム。
【請求項１５】
噴流ノズル間の最小水平距離が１０ｃｍであり；
噴流ノズルの水平間隔が、１平方メートルあたりの噴流ノズルの数が１５以下となるよう設定される；ことを特徴とする請求項１２−１４のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項１６】
チャンバーが：
噴流ノズルと沈降噴流とを含む１つ以上の噴流チャンバーと；
１つ以上の噴流チャンバーから上向きのガスの動きを受けるために、１つ以上の噴流チャンバーと連通するとともにその上に配置される上側のベッド領域と；
を含む少なくとも２つの領域を有するように構成されていることを特徴とする請求項１２−１５のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項１７】
少なくとも１つの二次的オリフィスが、少なくとも１つの噴流ノズルから横方向に間隔を開けて配置されるとともに、上向きに噴流と平行に延びるか、あるいは、噴流に向かった延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に注入するよう位置決めされていることを特徴とする請求項１６に記載のリアクターシステム。
【請求項１８】
壁が、各々が少なくとも１つの噴流ノズルを含み、少なくとも２つの別個の噴流チャンバーを規定することを特徴とする請求項１６に記載のリアクターシステム。
【請求項１９】
各噴流チャンバーが、少なくとも２つの噴流ノズルを含むことを特徴とする請求項１８に記載のリアクターシステム。
【請求項２０】
各噴流チャンバーが、少なくとも２つの噴流ノズルを含むことを特徴とする請求項１８に記載のリアクターシステム。
【請求項２１】
少なくとも上側のベッド領域が、バブリング流動層中にビーズを含むよう大きさを決定されるとともに成形され、リアクターシステムが、さらに、バブリング流動層中に粒子を含むよう大きさを決定されるとともに成形される上側のベッド領域の部分の粒子を流動化するに十分なガスの総量を容器に供給するガスソース、を備えることを特徴とする請求項１６−２０のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項２２】
壁が、噴流ノズルの全てを含む単一の噴流チャンバーを規定することを特徴とする請求項１６に記載のリアクターシステム。
【請求項２３】
噴流チャンバーが３つの噴流ノズルを含むことを特徴とする請求項２２に記載のリアクターシステム。
【請求項２４】
噴流ノズルが、チャンバーの床よりも上で上側のベッド領域よりも下に位置する先端部を有することを特徴とする請求項１−２３のいずれか１項に記載のリアクターシステム。
【請求項２５】
容器内の粒子上にシリコンを堆積させるためのプロセスにおいて：
チャンバー中に噴流を形成し、沈降噴流層中に粒子を維持するように、噴流ノズルを通してシリコン粒子を含むチャンバー中に上向きにシリコンを含むガスを注入する工程と；
シリコンを、シリコンを含むガスから粒子上に堆積させるために十分な温度で粒子を維持する工程と；
噴流ノズルから横方向に間隔を開けて設けられ、噴流に沿って、噴流に向かって、まらは、噴流から離れるよう延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に注入するよう位置決めされたオリフィスを有する、少なくとも１つの二次的オリフィスを通してガスを注入する工程と；
を備えることを特徴とするプロセス。
【請求項２６】
噴流の形状に影響を与える少なくとも１つのジェットを作製するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通るガスの流れを規制して指向させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載のプロセス。
【請求項２７】
シリコン堆積物の成長を抑制する少なくとも１つのジェットを作製するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通るガスの流れを規制して指向させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５または２６に記載のプロセス。
【請求項２８】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入する前にガスを加熱する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５−２７のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項２９】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入する前にガスを冷却する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５−２８のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３０】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入されたガスが、容器内の水素の分圧を低減するのに好適なガスから構成されることを特徴とする請求項２５−２９のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３１】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入されたガスが、アルゴン、窒素、またはそれらの混合物から構成されることを特徴とする請求項２５−３０のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３２】
噴流の領域でエッチングされた容器の壁を維持するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通してハロゲン含有ガスを注入する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５−３１のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３３】
噴流の領域で反応性物質の発熱反応から放出されたエネルギーによって噴流の領域を加熱するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通して反応性物質を注入する工程であって、反応によって生成されたエネルギーの総量が噴流中の粒子を加熱するのに十分である工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５−３２のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３４】
バブリング流動層において噴流上の粒子を流動化するために、ノズルおよびオリフィスを通じてのガスの流れの十分な総量を維持する工程をさらに備えることを特徴とする請求項２５−３３のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３５】
容器内の粒子上にシリコンを堆積させるためのプロセスにおいて：
チャンバー中に少なくとも２つの沈降噴流層を形成するように、少なくとも２つの噴流ノズルを通してシリコン粒子を含むチャンバー中に上向きにシリコンを含むガスを注入する工程と；
シリコンを、シリコンを含むガスから粒子上に堆積させるために十分な温度で粒子を維持する工程と；
を備えることを特徴とするプロセス。
【請求項３６】
少なくとも１つの噴流ノズルから横方向に間隙を開けて設けられ、噴流に沿って、噴流に向かって、または、噴流から離れるよう延びるジェットとして、ガスをチャンバー中に注入するよう位置決めされたオリフィスを有する、少なくとも１つの二次的なオリフィスを通してガスを注入する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５に記載のプロセス。
【請求項３７】
噴流の形状に影響を与える少なくとも１つのジェットを作製するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通るガスの流れを規制して指向させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５または３６に記載のプロセス。
【請求項３８】
シリコン堆積物の成長を抑制する少なくとも１つのジェットを作製するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通るガスの流れを規制して指向させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−３７のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項３９】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入する前にガスを加熱する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−３８のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４０】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入する前にガスを冷却する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−３９のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４１】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入されたガスが、容器内の水素の分圧を低減するのに好適なガスから構成されることを特徴とする請求項３５−４０のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４２】
少なくとも１つの二次的オリフィスを通して注入されたガスが、アルゴン、窒素、またはそれらの混合物から構成されることを特徴とする請求項３５−４１のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４３】
噴流の領域でエッチングされた容器の壁を維持するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通してハロゲン含有ガスを注入する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−４２のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４４】
噴流の領域で反応性物質の発熱反応から放出されたエネルギーによって噴流の領域を加熱するために、少なくとも１つの二次的オリフィスを通して反応性物質を注入する工程であって、反応によって生成されたエネルギーの総量が噴流中の粒子を加熱するのに十分である工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−４３のいずれか１項に記載のプロセス。
【請求項４５】
バブリング流動層において噴流上の粒子を流動化するために、ノズルおよびオリフィスを通じてのガスの流れの十分な総量を維持する工程をさらに備えることを特徴とする請求項３５−４４のいずれか１項に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリシリコンを製造するために行う流動層中のシリコン含有ガスの熱分解に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多結晶シリコン（ポリシリコン）は、半導体産業および太陽電池産業の両者にとって、重要な原料である。特定の応用例に対する選択肢はあるが、ポリシリコンはここ当分の間好適な原料であろう。そのため、ポリシリコンを製造する可能性および経済性を改善することは、両産業にとって、発展の機会を増大させるだろう。
【０００３】
ポリシリコンの大部分は、ポリシランまたはトリクロロシランをシリコン含有ガス源として用いる、ジーメンス社のホットワイヤ方法によって製造される。通常他の不活性または活性ガスと混合されるシリコン含有ガスは、熱分解され、加熱されたシリコンフィラメント上に堆積する。フィラメントの温度は、ポリシリコンが均一に堆積して、平坦なポリシリコンロッドが製造されるように、注意深くコントロールする必要がある。ジーメンス社のプロセスは、製造されたポリシリコン１ｋｇあたり多量のエネルギーを必要とし、さらに、ポリシリコンロッドを結晶成長に必要なより小さい塊に加工するための実質的に手動労力を必要とする。
【０００４】
多くの人は、優秀な物質移動および熱移動、堆積のための増大した表面、および、一貫生産のため、太陽電池産業および半導体産業のポリシリコンを製造するための魅力的な代替方法として、流動層におけるシリコン含有ガスの熱分解を考慮する。ジーメンスタイプのリアクターと比べて、噴流層リアクターは、何分の１かのエネルギー消費で、かなり高い生産速度を提供する。噴流層リアクターは、一貫工程で高度にオートメーション化されており、人件費をかなり減少させることができる。
【０００５】
先行技術としてのシリコン含有ガスの熱分解に関連する多くの流動層リアクターは、流動化ガスを導入するために、伝統的な分配板を使用する。通常シリコン含有ガスと他のガスとの組合せからなる流動化ガスは、シリコン粒子を流動化させるために、十分な全体の流速で注入される。分配板は、しばしば水平方向または下側方向に向く多くのオリフィスを含んでいる。分配板には共通のプレナムが存在するため、全ての流動化ガスは同時に分配板のオリフィスに入る。オリフィス間のガス分布のコントロールが行われていないため、オリフィスは本質的に不安定である。分配板の設計は、プレート上でのシリコンの堆積および高電力での製造になりがちである。堆積は、水冷された分配板により場合によって減少する。しかしながら、これは、流動層リアクターのエネルギー効率をかなり減少する大きなヒートシンクを作り出す。
【０００６】
引用文献１は、流動化ガスのための単一の噴流ノズルを有する流動層リアクターを開示している。典型的な分配器のオリフィスとは異なり、噴流ノズルは、噴流循環パターンを促進させるために、上方向を向いている。噴流は、伝統的な流動層のように行動する上側のヘッドに放出される。このタイプのシステムは、以後「沈降噴流層」として参照する。噴流は下側の部分で良くコントロールされた循環を提供するのに対し、流動層の領域は完全な転換のための滞留時間および熱シリコン顆粒と接触するシリコン粒子の「捕捉」を提供する。
【特許文献１】米国特許第５，８１０，９３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
先行技術のシリコン噴流ノズルの設計は、噴流の基部の中および周囲における減少した粒子の動作の領域を含む。減少した動作は、近年形成されている非結合粒子を有するシリコン粒子が噴流チャンバーの表面に付着することを可能とし、望ましくないシリコン堆積物を形成させる。噴流ノズルの近傍の堆積は、完全にそれを包み込み、シリコン製造の効率および継続時間を低減する。上述した設計は、噴流ノズル内でのシリコンの堆積を避けるため、シリコン含有ガスの入口温度をある温度以下に保つために、噴流ノズルを冷却することを開示しているが、噴流チャンバー内におけるノズル表面の上および周囲のシリコン堆積の基本的問題点を扱っていない。
【０００８】
シリコン含有ガスの熱分解および流動シリコン粒子上へのシリコンの堆積による効率的なポリシリコンの形成の継続的必要性が、今なお残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ここに記載されたものは、シリコン含有ガスの熱分解および反応容器内で１つ以上の噴流により循環した流動シリコン粒子または顆粒上へのシリコンの堆積による、ポリシリコンの製造のために沈降噴流層技術を利用した、効率的な技術および装置である。記載された各種の技術および装置構成は、効果的にシリコンの製造を増進する。
【００１０】
最良の結果を出すには、沈降噴流層を形成するために用いられるノズルは平均粒子径の２５倍以下にすべきであり、ノズルの数量は制限される。そのため、単一のノズルは、所定の平均粒子径の粒子を有する容器に制限された量の流動化ガスしか提供することができない。
【００１１】
この制限を解消するために、複数の平行な噴流を単一のより大きな直径を有する流動層内において沈降させることができる。このアプローチは、個々に十分にコントロールされる噴流領域の製法の効果を、優れた経済性を有する設計のための大きな流動層の経済性と組み合わせる。複数の噴流を有するシステムは、ここでは、「複数沈降噴流層」として参照する。
【００１２】
シリコン製造のための複数の沈降噴流層は、容器の直径および形状に従って２個から１０個あるいはそれ以上の沈降噴流を有することができる。最良の結果は、各々独立した噴流が分離されたガス供給部によって供給され、それにより、各噴流の流れおよび組成が独立してコントロールできるときに、達成される。これは、すべてのオリフィスが中央のプレナムからガスを受け取るとともにガスのコントロールが行われない、分配板を有する流動層リアクターとの大きな相違となる。複数の噴流と分配板との他の大きな相違は間隔である。噴流ノズルは、最良の場合、噴流間のインターフェアレンスの恐れを最小にするよう十分な距離だけ離れて配置される。複数の噴流層における噴流ノズル間の最小距離は約１０ｃｍにすべきであり、１平方メートルあたりの噴流ノズルの数は１５以下であるべきである。その一方、分配板のオリフィスは通常より近い間隔となるよう配置されている。
【００１３】
堆積の問題は、噴流ノズル直近のジェットを有する噴流設計を増進することで扱うことができる。ジェットの流れは、噴流の周囲の粒子を飽和させ、流動させることで、ノズルの周囲の噴流基部表面を、シリコン含有ガスおよびそうでなければ堆積する可能性のあるシリコン粉体中に、制限し続ける。これは、生産効率を維持し、ポリシリコン粒子の長期間に亘る連続する生産を保証する。噴流ノズル近傍に位置するこれらのジェットは、ここでは、最初の流れが噴流ノズル中であることを示す「二次ジェット」として参照される。１つ以上の沈降噴流および二次ジェットを備える技術は、ここでは、「増加された沈降噴流流動層」として参照される。流動化したガスを複数の沈降噴流および二次オリフィスから上方に流すことによって浮遊した流動化されたシリコン粒子を含む容器は、ここでは、「複数に増加された沈降噴流流動層」リアクターとして参照される。二次オリフィスの噴流近傍の形状、数量および方向は、すべて、噴流ノズル近傍の粒子およびガス循環をコントロールして、噴流チャンバー内での噴流ノズル表面におけるシリコン堆積を実質的に除去するために種々に組み合わされて使用される。
【００１４】
噴流チャンバーの堆積の可能性は、噴流ノズルを噴流チャンバー中に突出させること、それにより、噴流の周囲の動きを改善し、シリコン含有ガスとチャンバー壁との間の接触を減少させることにより、減少させることができる。突出したノズルは、シリコン粒子または粉体が付着するよどんだ領域を最小化し、一方、突出部の周囲の粒子の動きからの浸食を最小化するよう設計される。二次オリフィスは、さらに、一次ノズルの周囲の堆積の危険性を減少するために付加される。
【００１５】
噴流チャンバー中でのシリコン堆積の形成の減少あるいは除去は、そのため、噴流ノズル近傍の二次ジェットの使用、噴流チャンバーの設計、噴流ノズルの設計およびそれらの組合せを通じて、各噴流ノズルでの、あるいは、その近傍でのよどんだゾーンをなくすことによって達成できる。さらに堆積の恐れを減少させるためには、噴流ノズルを冷却することができる。
【００１６】
リアクター中における粒子上のシリコンの堆積を達成するためには、流動化ガスが、「シリコン含有ガス」、すなわち、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）、高次シラン（ＳｉｎＨ２ｎ＋２）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣｌ４）、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ３）、シリコン  テトラブロマイド（ＳｉＢｒ４）、ジヨードシラン（ＳｉＨ２Ｉ２）、トリヨードシラン（ＳｉＨＩ３）、シリコン  テトラヨウ化物（ＳｉＩ４）、および、それらの混合物から構成されるグループから選択されるガスを含む。流動化ガスは、また、塩素（Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）、臭素（Ｂｒ２）、臭化水素（ＨＢｒ）、ヨウ素（Ｉ２）、ヨウ化水素（ＨＩ）、および、それらの混合物から構成されるグループのいずれかのガスのような、「ハロゲン含有ガス」を含むことができる。最後に、流動化ガスは、窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、あるいは、それらの混合物のような「不活性ガス」を含むことができる。ノズルおよびオリフィスのいかなるセットをも通してリアクターに供給されるガスの総量は、流動化ガスを構成する。大きな粒子は排出用の底部に分離される一方、容器中の粒子の少なくとも大部分を流動化させるために十分な流動化ガスの量を供給することが最良である。
【００１７】
また、噴流に供給されるシリコン含有ガスの量は、リアクター内の粒子上への望ましいシリコンの堆積を維持するのに十分な量であるべきである。
【００１８】
シリコン含有ガスからのシリコンは、ベッド中多結晶シリコン（ポリシリコン）としてシリコン粒子上に化学気相堆積を通じて維持するが、一様に分解もし、微小粒子への細く、凝集を通じてシリコン粒子上に堆積するか、あるいは、排気ガスとともにダストとして排出されるシリコン粉体を形成する。化学気相堆積も捕捉も、リアクター容器中にシリコン粒子をもたらす。リアクター容器中の平均粒子径は、選択的に大きな粒子を除去すること、リアクター（自然播種）中に新しい微小粒子（種）を作製すること、除去された生物から分離された種をリサイクルすること、除去された生産物の部分を粉砕して作製した種をリサイクルすること、および、それらの組合せによって、望ましい粒子径の近傍に維持される。
【００１９】
分解温度は、壁面ヒーターによる方法、一例としてマイクロ波のような他のエネルギー源による方法、シリコン含有ガスおよび他の流動化ガスを予熱し、加熱したガスをリアクターのセクションに加える方法、それらを組み合わせた方法を含むいくつかの方法で、リアクターに供給される。他の熱源は、少なくとも１つの二次オリフィスを通して反応性物質を注入し、噴流の領域で反応性物質の発熱反応から放出されるエネルギーによって噴流の領域を加熱し、それにより、噴流中の粒子を加熱する。リアクター温度は、使用すべきシリコン含有ガスに対する分離温度から堆積温度の範囲内にすべきである。シリコン含有ガスとしてシランまたは高次シランを使用した生成物に対しては、最適性能は４５０℃以上の温度で得られる。走査温度は、シリコン含有ガスおよび他の生産物の要求に従って０．１ｂａｒから１０ｂａｒの範囲である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、シリコン製造のため複数に増加させた沈降噴流流動層リアクター容器１０を示している。図２および３は、容器の底部（ガス入口）から頂部（ガスおよび粉体出口）の４つの領域を含むチャンバーを規定する。最も下部の領域は、流入した流動化ガスが噴流ノズル１８から入る噴流チャンバー（Ｉ）である。図示したシステムは、単一の噴流チャンバー中３つの平行噴流１２を作製する３つの噴流ノズルを有する。ここで議論するように、他の構成は、１つあるいはそれ以上の分離した噴流チャンバーの各々に１つあるいはそれ以上の独立してコントロールできる平行な噴流を用いることができる。噴流チャンバー１４は、噴流の循環を安定させるような形状の壁１６によって規定され、１つあるいはそれ以上の二次オリフィス２０によって囲まれた噴流ノズル１８を含む。１つあるいはそれ以上の製品出口２２は、出口ライン２４を介してリアクターの底部に蓄積される大きな粒子を排出するために設けられている。この生産物出口ライン２４は、ガス供給ライン２７から供給され、それらが重力で製品扱い部まで流れるように製品としての粒子の埃を取るための逆方向のガス流れ２６を有する。最も好ましいガスの流れ２６は、ハロゲン含有ガス、不活性ガスまたはそれらの混合物から構成される。より速い速度がより微小な粒子を取り込み、それらをリアクターに戻してリサイクルするために使用される。
【００２１】
噴流ノズル１８を通して注入されるガスは、ノズルからのガスおよび粒子の低濃度の上向きの流れ（噴流）１２、および、噴流を囲み、チャンバー壁１６で規定された環状の領域２８中の粒子の高濃度の下向きの流れ、を有するチャンバー１４内における沈降噴流循環を作り出す。環状部２８内において下向きに流れる粒子は、ノズル１８から上向きに移動するガス中に再び取り込まれ、そのため、他のループの噴流１２に再び入る。シリコン含有ガスをシリコンに変換する際の重要な部分は、噴流領域１４特に噴流１２内で起こり、シリコンは、粒子上に堆積するか、または、核形成または摩耗を経て粉体に変換される。
【００２２】
噴流チャンバーの上端は、遷移領域（ＩＩ）の始まりである。各噴流３０の頂部は、遷移領域（ＩＩ）中に開放される。これは、下側の発達した噴流１２と上側の発達した一般的な流動層ゾーンとの間の領域である。遷移は、相関関係から推定され、冷間不活性テストで検証された、最大噴流高さの近傍に位置する。最も好ましい噴流頂部３０は、遷移領域に位置する。この領域を規定する壁３２は、円筒形状またはテーパー形状またはそれらの組合せから形成されるが、最良の結果は、遷移領域内においてある種のテーパー形状の拡大部を用いることで達成される。テーパーは、水平（０°）から急峻（約４５°）までの広い角度範囲を有することができるが、通常は、特定の安息角近辺またはそれよりも急な角度である。角度が小さすぎると、粒子は遷移壁３２上で落ち着き、凝集する。テーパー形状の拡大部は、全面積を増加してガスの速度を減少させ、その結果、大きな粒子は、それらが噴流中で成長し続けることができ、均一に除去される噴流チャンバーに重力により再び分離される。
【００２３】
遷移領域は、上側の高濃度の流動層領域（ＩＩＩ）にガスおよび粉体を移動させるとともに、上側の高濃度の流動層領域（ＩＩＩ）と粒子を交換する。流動層領域（ＩＩＩ）内のリアクター壁は、バブリング流動層中にビーズを含むような大きさおよび形状となっている。特に、流動層領域の面積は、低速のバブリング層を維持するのに適切な表面速度を持つように設計されており、その結果、粒子の大部分は十分に混合され、一方、大きな粒子は、底部に向かって分離され、遷移を通じて噴流層に入る。目的は、バブル４０として定義された、ガスおよび粒子の低濃度ポケットが上向きに流れ、エマルジョン４２として定義された、ガスおよび粒子の高濃度の連続対を撹拌する高濃度相のバブリング流動層中に粒子を維持することである。減少したガス速度は滞留時間を増加し、残留シリコン含有ガスの追加の変換を起こす。バブリング動作により生じる活発な混合は、ガス中の粒子と加熱粒子との間の優れた接触を作り出し、そのために、それらは存在する粒子上に捕捉またはアニールされることで粉体を捉えることができる。粉体の粒子は、また、それらの上に凝集し、種材料として作用する微小粒子を形成する。両方のメカニズムは、さらに、変換されていないシリコン含有ガスからのシリコンの堆積によって促進される。また、噴流と流動層との間で通常の混合により粒子の交換がある。バブル４０は、それがベッドを介して立ち上がるように、合体して成長する。望ましいベッドの高さに従って、ベッド領域内に１つ以上の付加的なテーパー拡大部が存在し、さらに、上に向く流動化速度を減少する。ガスの十分な総流量は、バブリング流動層中の噴流より上に粒子を流動化させるために、噴流ノズルおよび二次オリフィスを通じて維持すべきである。しかしながら、流動層領域の容器壁を通っていくつかのポート４４が存在する。追加のガスをこれらのポートを通して流動層領域に加えることができ、熱または特別な流動を与えるか、あるいは、自然播種のための摩耗を促進する。ポートは、また、種として微小粒子または凝集した粉体をリサイクルするために使用されたり、特別な装置を導入するために使用されたり、場合によっては、噴流チャンバーにおいて製品出口２２からではなく、異なる粒径分布の製品を排出するためにも使用される。必要な場合は、内部装置をこの領域に付加することができ、よりスムーズな流動化および特別の加熱表面を促進する。
【００２４】
バルブ４０は、流動層から低濃度のフリーボード領域（ＩＶ）に解放される。フリーボード領域（ＩＶ）において、微小粒子はガスとともにベッド（ＩＩＩ）から排出されるが、大きな粒子は自由になりベッドに戻る。ガスの速度よりも低い終端速度を有する微小粒子または粉体は、排出ガスとともに外に排出される。フリーボード領域には、その上に、いくつかのポートが存在する。２つの主要なポートは、粒子供給ポート４６およびガス出口４８である。最も好ましい粒子供給ポートは、スプラッシュゾーン上に位置され、最も好ましいガス出口は、上昇による取り込みが安定する高さである移動解放高さより上に位置される。流動層領域（ＩＩＩ）と同様に、他のポート４４を、例えば、微小粒子をリサイクルするために、あるいは、装置を付加するために、追加することができる。
【００２５】
噴流チャンバー上の３つの領域である領域（ＩＩ）、（ＩＩＩ）および（ＩＶ）は、ここでは、「上側のベッド領域」として集合的に参照する。
【００２６】
容器１０およびここに記載された他の容器は、予想される圧力、温度および要求あるいは他の構造上の拘束条件を受け入れることのできるいかなる材料によっても構成することができる。容器は、高いシリコン濃度を有する例えば高温用の石英を有する材料で作製される。あるいは、容器構造は、限定はされないが、インコロイ（登録商標）合金およびハステロイ（商標登録）合金のような高温用の金属合金で構成される。内部壁５０は、動作温度に耐えるとともにシリコン粒子が容器壁と接触することを保護する材料で部分的に被覆されてもされていなくてもよい。そのような被覆層は、限定するものではないが、単結晶および多結晶シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、シリコンカーバイドで被覆されたグラファイト（Ｃ）、シリカ（ＳｉＯ２）およびシリコンナイトライド（ＳｉＮ）のような高いシリコン温度を有するいかなる材料からも形成される。他の非シリコン材料は、限定するものではないが、タングステンカーバイド（ＷＣ）およびモリブデン（Ｍｏ）を含む。この内部被覆層の第１の目的は、容器内あるいは容器の領域内、特に、粒子濃度が最も高い領域（Ｉ）から（ＩＩＩ）内において、シリコン粒子と当接する非汚染表面を提供することである。
【００２７】
熱は、通常、例えば抵抗壁ヒーター５２により各領域のリアクターの内壁５０を加熱することによって、加えられる。他の方法として、限定はされないが、リアクターに入るガスを予熱する方法、ガスおよびリアクターの部分をマイクロ波加熱する方法、放射熱または化学反応熱により方法をとることができる。リアクターに加えるエネルギーを保つために、それを絶縁層５４で囲むことが好ましい。
【００２８】
図２Ａ、４Ａおよび４Ｂはある噴流チャンバーの詳細を示している。シリコン含有ガス、ハロゲン含有ガス、不活性がすあるいはそれらの混合ガスは、噴流チャンバー１４、１４ａ、１４ｂ内に噴流循環パターンを生成するのに十分な流速で、垂直方向の噴流ノズル１８、１８ａ、１８ｂを通してリアクターに入る。循環パターンは、噴流チャンバー１４、１４ａ、１４ｂ内においてノズル１８、１８ａ、１８ｂから上向きに流れる低濃度のガスおよび粒子の混合によって特徴付けられる。この特徴は噴流１２、１２ａ、１２ｂであり、それがジェットの翼形状の特徴ではなく狭く延びている点で、流動層の分配ジェットとは異なっている。さらに、噴流は、通常の分配ジェットのように変動せず、連続して安定している。沈降噴流は、それが最大高さに達すると最終的に崩壊し、分解してその上の遷移ゾーンに入る。低濃度の噴流は、噴流チャンバーの壁１６、１６ａ、１６ｂに沿って再び噴流入口１８、１８ａ、１８ｂまで下降する同芯で環状の高濃度の粒子２８、２８ａ、２８ｂの流れによって囲まれる。噴流ノズル１８、１８ａ、１８ｂを通るガスの流速は、「最大噴流高さ」を維持しつつ「最小噴流速度」以上の流速を達成するよう設定され、そのため、噴流３０の頂部は、噴流チャンバーの端部を超えて遷移領域（ＩＩ）へは実質的に延びない。最小噴流速度および最大噴流高さの両者は、噴流層の資料中の相関関係およびテストで検証された相関関係から推定される。
【００２９】
噴流ノズルの適切な設計は安定した噴流を提供する。通常、ノズルは、高い速度に対し設計されるが、最大のコントロールを許容する制限された圧力のドロップに対して設計されていない。常に必要というわけではないが、可能な限り噴流を安定化するために、ノズルの近傍の制限部５６、５６ｂから排出させることは効果的である。この制限部は、図示の例ではテーパー形状の径減少部であるが、制限部を設けない例から鋭いエッジ形状のオリフィスおよび噴流特性を促進する回転または他の付加的な動きを加える制限部を有する複雑な設計まで、多くの他の構成が可能である。
【００３０】
図５はノズルをより詳細に示しており、ノズルは噴流ノズル１８の周囲に冷却チャンネル５８を有することができる。この構成は、噴流ノズルのガスを可能な限り堆積温度に近づけるよう予熱した時の、ノズル１８の周囲のシリコン堆積温度以下に表面温度を維持するとともに、たぶんそれ以上に二次ジェットの温度を維持する。シリコン堆積温度以下に表面温度を維持することは、ノズルの表面上へのシリコンの堆積を避ける。
【００３１】
噴流ノズル１８ｂは、図４Ｂおよび６に示すように、噴流チャンバー内に突出できる。これは、さらに、シリコン含有ガスと加熱された噴流チャンバー壁とが接触することを避ける。突出部は、容器へのガス入口の先端として定義され、噴流チャンバー内に残っている、ノズル１８ｂの先端１９ｂの長さのうちいかなる長さにもできる。そのため、先端部は遷移領域に延びることはできない。
【００３２】
各噴流ノズルの周囲には、図２Ｃおよび３に最良の実施例を示しているように、１つ以上の二次オリフィス２０がある。不活性ガス、ハロゲン含有ガスまたはそれらの混合ガスは、二次オリフィス２０を通して入り、よどみはシリコンの堆積および生産の障害になるため、噴流ノズル近傍で環状の領域における粒子の動きを促進および維持するジェット６０を生成する。これらの二次ジェット６０の主な使用は、噴流ノズル１８近傍の領域を希釈し、粒子の循環を促進し、噴流ノズルの周囲の粒子の動きを高めることで、樹状突起形成サイトを形成しないようにする。二次ジェットは、シリコン含有ガスが、臨界核生成温度よりかなり高い温度のリアクターに導入され、堆積にセンシティブな場合に、特に有益である。そのようなよどんだ領域と組合せられる堆積は、生産を中止させる重大なシリコンの堆積に最終的につながっている。適切な位置に配置された二次ジェットは、シリコン堆積物の成長を阻害する。
【００３３】
凝集およびシリコン堆積の最も高い可能性のある領域６２が、図２Ｂに示されている。最も重要な領域は、高濃度のシリコン含有ガスが、臨界核生成温度よりも高い温度で壁またはよどんだ粒子と接触する噴流ノズル１８の近傍であるが、この領域は噴流チャンバー壁１６の大部分を包含している。二次ジェット６０が噴流１２への粒子の引き込みを促進するため、噴流粒子濃度を増加させる。このことは、粉体生産の代わりに粒子成長へ変換をシフトするシリコン堆積速度を改善する。そのため、二次ジェット６０は、また、一般的な操作およびコントロールにおいて有益である。
【００３４】
図５は二次オリフィス２０の垂直方向に対する角度αを示しており、図７は水平面におけるジェットの方向βを示している。図５は、噴流近傍の粒子を噴流内で流すために、噴流１８に向かって傾いたジェット６０を有する一実施例である。垂直に対する角度αは、９０°を垂直方向であるとすると、すなわち、図５に示すようにノズルの中心線６４と平行方向であるとすると、約１５°から１６５°の間で変化する。図４Ａは、実質的に垂直方向に延びるジェット６０ａを示している。図７は、上から下向きに見たときに、ジェットが向く可能性のある方向を示している。頂部から見たとき、各ジェット６０は、噴流ノズルの中心線６４に放射状内側に向く方向（水平角度β＝０°）から放射状外側に向く反対の方向（β＝１８０°）までのいかなる方向へも向くことができる。言い換えると、二次オリフィス２０は、０°がそのライン自体であるとしたとき、オリフィスの中心線と噴流ノズルによって形成される噴流の中心線６４との間のラインに対し、０°から１８０°の角度で水平方向に延びるジェットとして、ガスをチャンバー内上方に注入するよう位置決めされる。図７において、２つの取り得る可能性のある水平方向が、各オリフィス２０に対して示されている。示された第１の取り得るジェット方向は、放射状内側に向く、水平角度β＝０°の方向である。示された第２の取り得るジェット方向は、噴流の周囲に渦巻き動作を促す、水平角度β＝約５０°の方向である。図７は図示の都合上２つのジェット方向を示しているが、実際には、図示した各オリフィス２０は単一のジェットのみを形成する。あるジェットの方向は、上述した垂直角αおよび水平角βの種々のバリエーションをとることができる。
【００３５】
二次オリフィスは、すべて、図１−３に示されるように、都合良く同じ高さに配置されている。あるいは、より細かいコントロールをするためには、二次ジェットは２つ以上の高さに配置することができる。例えば、図６Ａは、単一の突出した噴流ノズルと、垂直方向に向くジェット６０ｃを生成する垂直方向の下部に設けられた二次オリフィス２０ｃと、角度の付けられたジェット６０ａを生成する上部に設けられた角度の付けられた二次オリフィス２０ａと、を備えるシステムを示している。
【００３６】
二次オリフィスの設計の一例が図５に示されている。通常、ガス供給路の長さは、二次オリフィス２０の直径の少なくとも数倍であり、そのため、樹状突起の除去に好適な芳香性のあるジェットの形成が可能となる。オリフィス２０は、望ましい流れのパターンおよび噴流チャンバー全体の設計に従って、丸形状、楕円形状、矩形形状あるいはその他の形状をとることができる。
【００３７】
通常、二次オリフィス内に内部部材は存在しないが、噴流の安定性、噴流の循環、噴流の環状の物質移動を促進するように、流れを偏向させるために内部部材を加えるオプションもある。各オリフィス２０は、オリフィスから噴流ノズル開口までの最大でも約０．２ｃｍ以上の水平方向の距離を持って、噴流ノズル１８から横方向に間隔を開けて設けられている。最も良い例として、二次オリフィスは、噴流ノズルの表面より高い高さに位置し、二次オリフィスで形成されたジェットが噴流および／または噴流の循環の形状に影響を与えるような噴流ノズルからの距離に配置すべきである。場合によっては、ハロゲン含有ガスを注入し、容器の壁が噴流の領域中でエッチングされるように、少なくとも１つの二次オリフィスを配置することが有益である。最も好ましい配置は、望ましい流れのパターンおよび噴流チャンバーの全体の設計に依り決定される。
【００３８】
図４−６は、噴流ノズル１８を囲む二次オリフィス２０のセットにガスを供給するための一般的な開放プレナム６６を示す。他のオプションは、限定されるものではないが、噴流を安定にし、噴流と環状部分との間の物質移動を増すための渦巻き動作を提供するために、二次プレナムに内部部材を加えることを含む。さらに他のオプションは、各オリフィスに均一な流れの分配を保証するようにプレナムの内部部材を付加することであり、プレナムを除去し、各オリフィス２０に個別の流量コントロールを使用するオプションも含む。
【００３９】
最も良い態様として、噴流チャンバー１４の形状は、環状部分２８中の良好な連続した粒子の流れを促進するよう選択される。上方の噴流の流れを囲む環状部に沿って、連続した高濃度の粒子の下方流を得ることが望ましい。粒子が凝集する傾向がある場合は、よどんだ領域の生成を避けることが重要となる。
【００４０】
粒子は、噴流中に再導入するため噴流ノズルに向いてガイドされるべきである。図４Ａおよび４Ｂは、この問題に対するたくさんの解法のうちの２つを示している。図４Ａに示す急峻な楕円形状は、環状の壁１６ａに沿ったスムーズな流れの形成および最終的にノズル１８ａに再び戻ることを保証する。図６Ａおよび６Ｂに示された、角度γの円錐形状の底部は、同じタイプの流れを達成するが、切り立った角度はよどんだ粒子を助長するゾーンを形成する。噴流チャンバーにおいて、噴流は高濃度のシリコン含有ガスを有しており、もし噴流が加熱されたリアクター壁に近づかなければ、過度の堆積を引き起こすため、噴流からリアクターまでの安全な距離を維持することが最も好ましい。そのため、スムーズな粒子の流れの促進に加えて、壁から噴流までの間をある距離に保つことが最も好ましい。これが、チャンバー底部の噴流ノズルの近傍をほとんど角度がない表面あるいは平坦な表面にすることを勧める理由である。円錐形状の底部の極端な場合は、円周角度γが０°のときである。これは平坦な底部を有する噴流チャンバーと呼ばれ、その一例は図４Ｂに示されている。他のアプローチは、険しさを増加させる複数の円錐を有する底部を設けることである。噴流チャンバーを設計して、粒子が過度に腐食される高い衝撃や高い流速の領域の形成を避ける一方流れ流れが維持されるようにすることが有益である。図６Ａに記載されているように、突出したノズル１８ｂは、また、壁までの距離を増加して、壁への堆積のリスクを減少させる。
【００４１】
材料の選択を含む、他の検討が、ハロゲン含有ガスが蓄積し、腐食の増大が予測される領域の形成を避けるために行われる。もし噴流チャンバーの直径が広すぎると、熱伝達を減少させ、凝集および最終的には樹状突起の形成を起こさせる、壁１６近傍の粒子のよどみ層が存在することとなる。的確な寸法は、望ましい噴流サイズおよび流速に従うものであり、噴流層および実験結果における相関から噴流層の技術に詳しい人によって推定される。直径をシリコン含有ガスとの接触を避けるために広くする必要がある場合は、環状部分を流動化するための動きを、付加的に二次ガスによって導入することで行うことができる。
【００４２】
図１−３に示されているように、噴流チャンバー内で分離する大きな粒子を優先的に排出することを保証するために、噴流１２の近傍に、噴流チャンバーの底部近傍に配置された製品出口２２が存在する。製品の排出が噴流粒子の動きを止めないように注意すべきである。小さな上方への流れは排出ガス導入ポート２７から製品出口２２に導かれ、製品とともに除かれるダストの量を最小にする。流れがダスト除去に十分であることが最も好ましく、十分に低いと、噴流循環を妨げることはない。出口２２は、噴流チャンバー１４の３つの葉部に対する共通の出口である。この場合、出口および共通セクションからの影響を最小にするために、噴流チャンバーおよび出口の設計に注意すべきである。循環の衝撃および噴流の安定性を最小化するため、噴流チャンバー内に付加的な挿入物またはポートは存在しない。
【００４３】
熱は、例えば米国特許Ｎｏ．５，８１０，９３４に記載されているように、多くの方法でリアクターに加えられる。加熱の第１のモードは、噴流ノズルおよび／または二次オリフィスを通って注入されたガスを予熱し、図１に示されているように、壁ヒーター５２でリアクターの壁５０を加熱することである。これらのヒーター５２はリアクターに沿って全ての部分に配置させることができるが、最も好ましい態様では、限定されるものではないが、そこで熱伝達効率が最も良くなるように、高濃度の十分に混合された粒子が存在する部分（領域Ｉ−ＩＩＩ）の壁に沿ってのみ配置する。熱ガスは、また、付加的なポート４４を通じて流動層領域内に加えられる。リアクターは、熱のロスを最小にするために、絶縁層５４によって囲まれるべきである。絶縁層５４は広い範囲の種々の材料から構成できる。
【００４４】
複数の噴流は、開構造または閉構造の２つの大きなカテゴリー内において、多くの異なる方法で設けられている。図１−３は、共通の中央底部出口２２の周囲に同信条に配置された３つの同一の葉部を有する噴流チャンバー１４を備える開構造の設計を示している。各葉部は、噴流ノズルの周囲における噴流／環状粒子の動きを促進するよう明確に形成されており、一方、周囲の部分は、他のチャンバーを備える中央共通出口に対して開かれている。チャンバー１４が中央出口２２に対し開かれているため、それらは容器の中央において下降流環状部２９を共有している。各噴流１２は、はっきりと識別でき、最も好ましい態様として、個別のガスの流れでコントロールされる。独立している噴流１２の間である程度の粒子が混合するが、これは、複数噴流層の設計基準に従って間隔を開けているため、噴流の不安定さを生じさせない。ある噴流の他の噴流に対する影響を最小化するため、一方のノズル中心線から他方のノズル中心線までの距離は約１０ｃｍ以上にすべきであり、大きい市販のリアクターの場合は、オリフィスの濃度を５０噴流／ｍ２以下に維持することが最良である。図２は、葉部の１つにおける独立した噴流の流れパターンを示している。この開放設計は、図示された３つの葉部を有する噴流チャンバーに限定されないが、適切な生産コントロールでより多くの独立した葉部を維持するためには、いくつか実際上の制限がある。１つ以上の二次オリフィス２０を各噴流ノズルに設けることもできる。１つ以上の二次オリフィス２０を設けた場合、二次オリフィスは、噴流ノズル１８を囲むように、間隔を開けて配置されている。開放設計の付加的な効果は、摩擦を増加させて自然播種の程度を増加させることのできる共通の環状ゾーンの間の相互作用の効果である。
【００４５】
図８および９に詳細に記載されているように、閉構造は、２つ以上の個別のの噴流チャンバーを有している。図示された噴流チャンバー１１４、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの各々は、お互いに完全に分離している。図示したシステムにおいて、各噴流チャンバーは１つの噴流を含んでいるが、他の実施例では、２つ以上の噴流を噴流チャンバーに含ませることもできる。各噴流チャンバーは、共通の出口１７０に流れを供給する、噴流ノズルに近接して設けられた個別の製品出口１２２を有している。システムは、また、別個に設けられた遷移領域（ＩＩ）および／または共通の流動層領域（ＩＩＩｂ）に解放される別個に設けられた流動層領域（ＩＩＩａ）を備えるように設計されている。遷移ゾーンの図示した寸法は一例として記載したものであって、他の高さや形状をとることができる。共通の製品出口ヘッダー１７２は、排出ガスインジェクターノズル１７６から強い反対方向へのガス流１７４を有しており、垂直あるいは垂直に近いポート１７８を通してリアクターのフリーボードおよび主となる流動層に基準よりも小さい粒子を吹き戻す。このポート１７８は、また、オーバーフローにより主となる流動層の最大ベッド高さを保証するために用いられている。図９Ａ、９Ｂおよび９Ｃは、３つの実施例において、遷移領域を有する複数の噴流チャンバーがどのようにして共通の流動層と接続しているのかを示している。図示した種々のシステムは、単なる実施例であり、これらに制限されるものではなく、また、他の構成を除外するものでもない。
【００４６】
リアクターは、各噴流チャンバーのガスの流れに対し個別のコントロールを有しており、噴流安定性の完全なコントロールを行っている。図１０は、図１−３に示す開構造のリアクターに対する、そのような実施の可能性のある流量コントローラシステムを示している。例えば、シリコン含有ガス、ハロゲン含有ガスおよび不活性ガスの予熱された混合ガスは、各ガス源供給ライン８２上の個別に設けられた流量コントロール８０を使用して、各噴流ノズル１８に導かれ、各ノズル１８に対し適切で安定な流量を保証する。さらに、各ノズルに対する個別のガス流量さらには温度を個別にコントロールすることも可能である。そのような構成の効果は、噴流のいずれかで圧力または流れの異常が認められた場合に、シリコン含有ガスおよびハロゲン含有ガスを、不活性ガスを噴流速度内に維持した状態で、遮断することができることである。図１−３に示すような開放設計は、３つのノズルすべてにおける連続した噴流が最適な流れパターンを維持する助けとなるため、そのような流量コントロール構成よりも効果がある。図８に示すような閉設計はより寛容であり、うまく動作しない噴流の完全なシャットダウンを許容する。各二次ガス供給ライン８６における個別の流量コントロール８４は、各二次オリフィスに対し適切で安定なガスの流れを保証するために使用される。二次流れにおける圧力または流量の異常は、また、噴流チャンバーに対するシリコン含有ガスまたはハロゲン含有ガスの供給停止を保証する。前述したように、各噴流チャンバーに対し、噴流チャンバー内のオリフィスのセットに対する総流量をコントロールするだけで通常は十分であるが、独立した二次オリフィスを個別にコントロールすることもオプションとして考慮することができる。
【００４７】
独立したガス供給コントロールの他の例も、また、有益である。温度は、通常はハロゲン含有ガスと不活性ガスとの予熱された混合ガスである、二次オリフィス２０を通して導入されるガスの制御によって、コントロールすることができる。あるいは、冷却されたガスを、適切な場合に、二次オリフィスを通して注入することもできる。不活性ガス、特に、アルゴン、窒素あるいはそれらの混合のようなガスは、二次オリフィスを通して注入され、反応容器内の水素の分圧を減少させる。そして、前述したように、１つ以上の二次オリフィスを通してハロゲン含有ガスを選択的に注入し、噴流の領域において容器の壁がエッチングされる状態を保持することは、時々有益な手段となる。
【００４８】
実施例１：樹状突起の形成を除去するための冷却ノズルの影響
リアクターシステムは、図１−３に示すように、共通の中央出口を囲む３つの噴流を有する開構成のシステムを用いた。各ノズルの先端を、表面温度を１００℃をほとんど超えない温度に保持するために、水冷した。各噴流ノズルから、３００°に予熱された、６００ｓｌｍの流量の水素および１００ｓｌｍの流量のシランの混合物を供給した。２００℃に予熱された約１００ｓｌｍの流量の水素を、ノズルの周囲の６つの二次オリフィスのセットのそれぞれに、供給した。フリーボード領域（ＩＶ）の圧力を、０．３５ｂａｒｇにコントロールした。噴流領域の壁は約６５０℃であり、一方、流動層領域の壁の温度は７００℃より十分高い温度であった。測定したベッド温度は約６９０−７００℃であった。数日間の操業の後、一次ノズルおよびその近傍に堆積のサインはなかった。
【００４９】
ノズルの冷却を止めた時、同じ条件のもとたったの数日でかなりの堆積が起こるものと思われる。
【００５０】
実施例２：突出ノズルにおける二次ガスの影響
リアクターシステムは、実施例１と同様に開構成であったが、ノズル先端の冷却は行わなかった。ノズルは、図４Ｂに示すように、噴流中に数インチ突出していた。
【００５１】
各噴流ノズルから、１５０℃に予熱された、６００ｓｌｍの流量の水素と１００ｓｌｍの流量のシランの混合物を供給した。各噴流ノズルを囲む６つの二次オリフィスに、水素を供給しなかった。フリーボード領域（ＩＶ）の圧力を、０．３５ｂａｒｇにコントロールした。噴流領域（Ｉ）の壁は、堆積を最小にするために、臨界核生成温度以上でＴａｍｍａｎ温度以下に加熱され、一方、流動層領域（ＩＩＩ）の壁の温度は、粉体の除去およびアニーリングを促進するために、Ｔａｍｍａｎ温度以上のかなり高い温度に加熱された。測定した噴流環状温度は６７５℃であり、ベッド遷移温度は６９０℃であり、流動層温度は７１０℃であった。ほんの数日の操業の後生産を中止したとき、ノズルを囲む表面に、１ノズル当たり０．３ｋｇとかなりの量の堆積があり、ノズル上で成長し始めていた。このことは、堆積を除去するために二次ガスが必要なことを明示している。
【００５２】
各噴流ノズルを囲む６つの二次オリフィスのセットのそれぞれに約１００ｓｌｍの流量の水素を供給した以外同じ条件下で操業したところ、１４日の操業の後でも、ノズルおよびその近傍に堆積のサインはなかった。
【００５３】
実施例３：噴流の貫入および個々の噴流の挙動の検証
リアクターシステムは、リアクターの代わりに透明なプレキシグラスのカラムを用いた以外、実施例１、２に近似したシステムを用いた。一次ノズルの直径は０．３７５”であった。流れはすべて実際の窒素であり、ベッド上の圧力は０．２ａｔｍであった。
【００５４】
これらのテストの目的は、噴流の貫入高さと文献データとの相関関係を検証することであった。噴流の貫入流れは、与えられた粒径分布とベッドレベルに対し一次ノズルの流量を増加させることにより決定した。噴流がベッドに貫入した時点の流れを、その噴流の高さが最小の流れとした。
【００５５】
第１のテストのセットは、平均粒子径０．９５ｍｍのビーズを用いて行った。
１）５０ｋｇのビーズを静止ベッド高さ４５ｃｍを許容するリアクターにチャージした。
２）３つの第１のノズルに対する窒素の総流量を１０００ｓｍｌから１７００ｓｌｍの間で変化させ、一方、二次オリフィスに対する窒素の総流量を１００から３００ｓｌｍの間で変化させた。
３）４５ｃｍの高さでテストを完了した後、静止レベルを約３３ｃｍまで下げ、１７ｋｇを除去した。流量の変化を繰り返した。
４）４５ｃｍの高さでテストを完了した後、静止レベルを約２０ｃｍまで下げ、１３ｋｇを除去した。流量の変化を繰り返した。
【００５６】
第２のテストのセットは、平均粒子径０．５ｍｍのビーズを用いて行った。
１）５０ｋｇのビーズを静止ベッド高さ４５ｃｍを許容するリアクターにチャージした。
２）３つの第１のノズルに対する窒素の総流量を１０００ｓｍｌから１７００ｓｌｍの間で変化させ、一方、二次オリフィスに対する窒素の総流量を１００から３００ｓｌｍの間で変化させた。
３）４５ｃｍの高さでテストを完了した後、静止レベルを約３３ｃｍまで下げ、１７ｋｇを除去した。流量の変化を繰り返した。
４）４５ｃｍの高さでテストを完了した後、静止レベルを約２０ｃｍまで下げ、１３ｋｇを除去した。流量の変化を繰り返した。
【００５７】
【表１】
2009502704.tif 000002
【００５８】
各ベッドレベルでの測定した噴流の貫入流れを、文献から知られるいくつかの相関値とともに表１に示す。主な観察結果は以下の通りであった：
−０．９５ｍｍのビーズを使用すると、システムは、３つのノズルすべてにおいて、クリアな噴流を有する十分に噴流化したベッドと似た振る舞いをする。噴流高さおよび流量は、大規模システムに対する相関関係がマッチする。
−より小さい粒子を使用すると、実際上噴流はないが、ベッドは十分に流動化した。これは、オリフィスの直径が正常な噴流に対する平均粒子径の２５倍未満であることが必要な場合の相関関係に一致する。この場合、ノズルは平均粒子径より約２０倍大きく、そのため、噴流は、存在していたとしても、大変小さいものと考えられる。
−二次流れの大きな効果がある。二次流れを増加させると、噴流中の固形物の量を増加させることによって、噴流を広げ、噴流速度を遅くできる。この効果は、噴流化がより一般的な大きい粒子においてより顕著となる。
【００５９】
種々の実施例をここに記載したが、多くの変更や変形を、当業者の一般的に共通な知識に従って、本発明の範囲内において行うことができる。そのような変形は、実質的に同じ方法で同じ結果を達成できるように、本発明の実施例に対し公知の同等物の置き換えを含む。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、楕円状のチャンバー、３個のノズルおよび中央の排出部を有する、シリコン製造のため複数に増加させた沈降噴流流動層リアクターの開放構造の断面正面図である。
【図２】図２Ａは、図１の噴流チャンバーの拡大した部分断面正面図である。図２Ｂは、コントロールできないシリコン堆積が起こる可能性のある領域（斜線部分）を示す、図１の噴流チャンバーの拡大した部分断面正面図である。図２Ｃは、図１の１つの噴流ノズルの拡大した部分断面正面図である。
【図３】図３は、図１の３−３ラインに沿って切り取った拡大部分断面正面図である。
【図４】図４Ａは、単に単一のノズルと側面の排出部とを有するシリコン製造のための沈降噴流流動層リアクターに対する楕円状の底部を有する噴流チャンバーの断面正面図である。図４Ｂは、単一の突出したノズルと側面の排出部とを有するシリコン製造のための沈降噴流流動層リアクターに対する平面状の底部を有する噴流チャンバーの断面正面図である。
【図５】図５は、シリコン製造のための沈降噴流流動層リアクターに対する二次的オリフィスを有する噴流流動層の噴流ノズルの断面正面図である。
【図６】図６Ａは、単一の突出した噴流ノズル、垂直方向下側の二次的オリフィス、角度を付けた上側の二次的オリフィスおよび側面の排出部を有するシリコン製造のための沈降噴流流動層リアクターに対する円錐形状の底部を有する噴流チャンバーの断面正面図である。図６Ｂは、単一の噴流ノズル、角度を付けた二次的オリフィスおよび側面の排出部を有するシリコン製造のための沈降噴流流動層リアクターに対する円錐形状の底部を有する噴流チャンバーの断面正面図である。
【図７】図７は、６個の二次的オリフィスを有する噴流流動層の噴流ノズルを示す、沈降噴流流動層リアクターの上から見た断面図である。
【図８】図８は、それぞれが単一のノズルを有する、複数の楕円形状の底部を有する噴流チャンバー、側面の排出部および可能性のある中央オーバーフローに対する排出部を有するシリコン製造のため複数に増加させた沈降噴流流動層リアクターの綴じた構造の断面正面図である。
【図９】図９Ａは、図８の９−９ラインに沿って切り取った図を縮小して示す断面図であり、各々が中央出口への側面の排出部を有する４個の独立した噴流チャンバーを備える実施例を示している。図９Ｂは、図８の９−９ラインに沿って切り取った図を縮小して示す断面図であり、各々が中央出口への側面の排出部を有する６個の独立した噴流チャンバーを備える実施例を示している。図９Ｃは、図８の９−９ラインに沿って切り取った図を拡大して示す断面図であり、各々が中央出口への側面の排出部を有する１０個の独立した噴流チャンバーを備える実施例を示している。
【図１０】図１０は、３個の独立してコントロールされる噴流ノズルと３個の独立してコントロールされる二次的オリフィスのセットとを有する、シリコン製造のため複数に増加させた沈降噴流流動層リアクターの開放構造に対する流量コントロールシステムの図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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