(57)【要約】  流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンを形成する工程が開示されている。前記層の上部空間と下部空間は、反応ガスの出口の高さを基準としてそれぞれ反応領域と加熱領域とに定義される。本発明は、流動層反応器の機械的安定性を損なうことなく、必要な熱量を十分に供給し、反応領域内の反応温度を安定的に維持することで、反応管の生産性を最大化する。これは、内部加熱器が反応ガス供給手段と反応管の内壁面との間の空間に設置される加熱領域内の電気抵抗加熱を通して達成され、それにより、加熱領域内の流動ガスとシリコン粒子を加熱する。加熱領域内で発生した熱は、シリコン粒子が持続的に流動状態で反応領域と加熱領域の間で相互混合され得る速度で流動ガスを供給することで、反応領域に移送される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン粒子層内に流動ガスを供給する流動ガス供給手段の上の、反応器シェルの内部に垂直に設置された反応管内部にシリコン粒子層を形成し；
反応ガス供給手段を、前記反応ガス供給手段の反応ガスの出口が前記流動ガス供給手段の流動ガスの出口より高く配置され得るように、シリコン粒子層の内部に垂直に設置し、
前記反応管内の上部および下部の空間を、それぞれ反応領域および加熱領域として、基準高さとして選択された前記反応ガスの出口の高さにより定義し；
前記反応ガス供給手段と前記反応管の前期内壁面との間の空間に設置された内部加熱器を利用して電気抵抗加熱を実施することにより、前記加熱領域内で前記流動ガス及びシリコン粒子を加熱し；
前記反応領域と前記加熱領域との間で、前記シリコン粒子が持続的に流動状態で相互混合され得る速度で前記流動ガスを供給することにより、前記反応領域の反応温度を所定の反応温度の範囲内に維持し；
前記反応領域におけるシリコン析出反応により、シリコン粒子のサイズが成長し得るように、前記反応ガス供給手段を利用して反応ガスを供給し；
前記反応領域を通過する前記流動ガス、未反応反応ガス及び反応副生成物ガスを含む排ガスを、ガス排出手段を利用して前記流動層反応器の外部に排出し；及び、
前記シリコン粒子の一部を、粒子排出手段を利用して、シリコン製品粒子として前記流動層反応器の外部に排出するステップを具備する、
流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項２】
前記流動ガスが前記充填層を通過する間に加熱され得るように、前記加熱領域に含まれ、前記反応管の前記内壁、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び前記内部加熱器により取り囲まれた空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を使用して、充填層が形成される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項３】
前記シリコン製品粒子は、前記充填材料の間に形成された空間に滞留するか、移動した後、前記粒子排出手段によって流動層反応の外部に排出される、請求項２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項４】
前記反応温度は、６００〜１，２００℃の範囲内に維持される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項５】
前記内部加熱器は、１つまたは複数個の加熱器ユニットを含み、前記加熱器ユニットは、電気抵抗加熱が起こる抵抗体を含み、前記抵抗体による前記シリコン粒子の汚染を防止するために、前記抵抗体は保護管の内部に設置され、および／または、１または複数の分離層が前記抵抗体の表面に形成される、請求項１または２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項６】
前記内部領域は、前記内部加熱器に加えてマイクロ波により加熱される、請求項５に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項７】
前記流動ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択される、請求項１または２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項８】
単位時間当り前記加熱領域に供給される前記流動ガスの供給速度（モル／秒）は、前記シリコン粒子が、前記反応ガスを供給することなく、前記反応領域において、反応温度範囲内で流動され始める、最小の流動状態の供給速度の１．０〜５．０倍である、請求項７に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項９】
前記反応ガスは、ケイ素含有成分として、モノシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１０】
前記反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含む、請求項９に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１１】
前記流動層反応器の外部に製造されたシリコン種晶は、種晶供給手段により前記反応管に供給される、請求項１または２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１２】
加熱領域に露出される前記反応ガス供給手段は、反応ガスノズルが保護され得るように、１つまたは複数のノズルが前記反応ガスを供給するための反応ガスノズルを取り囲む、同軸多重管の形態に構成される、請求項１または２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１３】
前記反応ガスノズルの前記内壁において、シリコン析出物が堆積されることが防止され得るように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を具備する不活性ガスが、同軸多重管の環状領域に流れる、請求項１２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１４】
前記反応ガスノズルの出口にシリコン析出物が堆積されることを防止するため、または既に形成されたシリコン析出物を除去するために、前記不活性ガスに、連続的に、断続的に、または周期的に塩化水素が添加される、請求項１３に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１５】
反応管は、反応器シェルにより取り囲まれるように反応器シェルの内部に垂直に設置され、前記反応器シェルの内部空間を、前記反応管内部に形成された内部領域と前記反応管シェルと前記反応管との間に形成された外部領域に分け、前記内部領域には、前記シリコン粒子層が存在し、前記反応領域と前記加熱領域が含まれるが、前記外部領域には、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１６】
前記外部領域を、十分に不活性ガス雰囲気に維持するために、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された不活性ガスが、前記外部領域に導入される、請求項１５に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１７】
前記外部領域の圧力Ｐｏと前記内部領域の圧力Ｐｉの差が、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持される、請求項１５に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１８】
前記外部領域の圧力または前記内部領域の圧力が、１〜２０バールの範囲内に維持される、請求項１７に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１９】
前記内部領域は、前記内部加熱器に加えて、前記外部領域に設置した補助加熱器を利用して加熱される、請求項１５に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項２０】
前記補助加熱器の熱負荷は、前記内部加熱器の熱負荷の１０〜１００％の範囲内である、請求項１９に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項２１】
反応管と；
前記反応管を取り囲む反応器シェルと；
前記反応管内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガスを供給するための流動ガス供給手段と；
前記シリコン粒子層内へのシリコン析出に必要な反応ガスを供給するために、反応ガス供給手段の前記反応ガスの出口が前記流動ガス供給手段より高く配置されるように、前記シリコン粒子層の内部に垂直に設置された反応ガス供給手段と；
前記反応ガス供給手段と前記反応管の前記内壁との間の空間に設置された内部加熱器と；
前記反応ガスの出口の高さが前記基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管の上部および下部の空間に相当する反応領域および加熱領域と；
前記反応領域と前記加熱領域との間の粒子の混合が、継続的に、流動状態に維持されるように、前記流動ガスと前記シリコン粒子が前記内部加熱器の電気抵抗加熱により加熱される、前記反応管、前記内部加熱器及び前記反応ガス供給手段の間に形成された空間と；
前記反応領域を通過する前記流動ガス、未反応反応ガス及び反応副生成物ガスを含有する排ガスを前記流動層反応器の外部に排出するためのガス排出手段；及び、
前記シリコン析出により前記反応管内に形成された前記シリコン粒子の一部を、シリコン製品粒子として前記流動層反応器の外部に排出するための、粒子排出手段と
を有する、流動層反応器を含む粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２２】
充填材料の充填層が、前記加熱領域内の、前記反応管の内壁、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び前記内部加熱器により取り囲まれる空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を利用して形成される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２３】
前記充填材料は、平均直径が５〜５０ｍｍであり、球体、ビーズ、ボール、顆粒、破片（ｆｒａｇｍｅｎｔ）、塊、楕円体、多面体、小石（ｐａｂｂｌｅ）、パレット、リングまたは小塊、及びこれらの混合からなる群から選択された形態を有する、請求項２２に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２４】
前記充填材料は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された物質からなる、請求項２２または２３に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２５】
前記充填材料は、単一成分物質、または厚さ方向に、各層が異なる原料で作られた複数の層からなる、請求項２４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２６】
前記反応管の内部空間は、前記シリコン粒子層が存在し、シリコン析出が生じる内部領域と定義され、一方、前記反応管と前記反応器シェルとの間の空間は、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない外部領域と定義される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２７】
前記外部領域を十分に不活性ガス雰囲気に維持するための不活性ガス接続手段と、前記内部領域の圧力Ｐｉ及び／または前記外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御するための圧力制御手段、及び前記外部領域の圧力Ｐｏ及び前記内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲に維持するための圧力差制御手段を具備する、請求項２６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２８】
前記外部領域に、断熱材が具備される、請求項２６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２９】
前記外部領域に、補助加熱器が更に設置される、請求項２６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３０】
加熱目的のため、電気エネルギーからマイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝達する導波管、またはマイクロ波発生器が、前記内部領域にマイクロ波を供給するために前記反応器シェルと結合されるように、更に設置される、請求項２６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３１】
前記反応器シェルは、炭素鋼及びステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属で製造される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３２】
前記反応管は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択される単一成分物質、または複数の物質で製造される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項３３】
前記反応管は、単一層、または厚さ方向に、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる、請求項３２に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３４】
前記内部加熱器は、１つまたは複数個の加熱器ユニットを具備する、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３５】
前記複数個の加熱器ユニットは、直列及び／または並列に、電気的に相互接続される、請求項３４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３６】
前記加熱器ユニットは、前記反応器シェルと結合されて設置された電気接続手段を通して、電力供給源と電気的に接続される、請求項３４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３７】
前記電気接続手段は、前記反応器シェルの内部及び／または外部に設置された電極を含み、前記加熱器ユニットは、前記電極により直列及び／または並列に、電気的に相互接続される、請求項３６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３８】
前記電極は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された少なくとも１種の金属元素を含む金属、または合金で製造されるか、表面が炭化ケイ素で処理された黒鉛で製造される、請求項３７に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３９】
前記加熱器ユニットに含まれ、電気抵抗加熱が発生する抵抗体は、円形、楕円形または多角形の断面を有する棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または同心円形、楕円形または多角形の断面を有する導管、チューブ、シリンダーまたはダクトの形態であり、長さ方向に沿って前記断面の形状及び／またはサイズが不変または可変である、請求項３４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４０】
前記抵抗体は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１種または２種の物質で製造される、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項４１】
前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４２】
前記抵抗体は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属で製造される、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４３】
前記加熱器ユニットは、前記抵抗体がシリコン粒子と直接接触することを防止するために、前記抵抗体の外部に保護管を設置するか、１つまたは複数の分離層を前記抵抗体の表面に形成するか、または前記分離層を形成した後、前記抵抗体の外部に保護管を設置することにより構成される、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４４】
前記保護管は、厚さ方向に、同心円形、楕円形または多角形の断面を有する、請求項４３に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４５】
前記分離層及び／または前記保護管は、各々異なる障壁成分からなる１〜５の分離層を含む、請求項４３に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４６】
前記障壁成分は、前記抵抗体から前記シリコン粒子及び／または前記流動ガスへの不純物の移動を防止する成分を含む、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４７】
前記障壁成分は、電気絶縁成分を含む、請求項４５に記載の粒状の、多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４８】
前記障壁成分は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）の窒化物、酸化物、炭化物または酸窒化物を含む、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４９】
前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された１つまたは複数の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５０】
前記分離層の厚さは、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であり、および／または前記保護管の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内である、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５１】
前記分離層は、ケイ素を障壁成分とし、１μｍ〜５ｍｍの範囲内の厚さを有するシリコン層を更に含む、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５２】
前記流動ガス供給手段は、前記加熱領域の下部に前記流動ガスを分散するための、格子の形態であるガス分散板、複数の穴を有するディスクまたは円錐形板、またはガス分散アッセンブリを具備し、および／または複数の流動ガス供給ノズルを具備する、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５３】
前記反応ガス供給手段の加熱領域に露出される部分は、前記反応ガス供給用の反応ガスノズルが、１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５４】
前記粒子排出手段は、前記反応ガス供給手段にそって、同軸多重管の形態で、または前記反応ガス供給手段と別に独立した形態で構成される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５５】
前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び／または前記粒子排出手段を構成する物質は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５６】
前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び／または前記粒子排出手段は、単一成分物質、または、厚さ方向に、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる、請求項５５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ、ｍｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ、ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎまたはｐｏｌｙ−Ｓｉ）の形成方法及び形成装置に関し、更に詳しくは、シリコン粒子の表面にシリコンを析出するため、シリコン粒子を高温で加熱する間に生じる問題を最小化することによって、長期間安定的に反応器を運転することができる粒状の多結晶シリコンの形成方法及び形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高純度多結晶シリコンは、半導体性質又は高い純度を要求する、半導体素子、太陽電池、化学処理装置、産業システム、の原料として広く使用されている。また、総合精密装置及び小型の、高集積精密装置にも使用される。
【０００３】
高純度多結晶シリコンは、高純度に精製されたケイ素含有反応ガスの熱分解及び／または水素還元反応に基づき、シリコン粒子の表面へのシリコン析出を繰り返すことで、形成される。
【０００４】
多結晶シリコンの商業的大量生産においては、今日まで鐘型（ｂｅｌｌ−ｊａｒ ｔｙｐｅ）反応器が主に使用されてきた。この鐘型反応器を利用して製造された多結晶シリコン製品は、棒状であり、直径が約５０〜３００ｍｍである。電気抵抗加熱に基づく鐘型反応器を利用した多結晶シリコンの形成方法は、シリコン析出による棒の直径の増加に限界があるため、連続的に実施され得ない。更に、シリコン析出に必要な表面積が制限されているため、析出反応の効率が低く、過度の熱損失が製品の単位量当たりの高い電力消費量ももたらす。
【０００５】
これらの問題を解決するために、最近は、微粒、即ち約０．５〜３ｍｍのサイズの粒子状の多結晶シリコンを生産し得る流動層反応器を利用したシリコン析出工程が開発されている。この方法によると、反応器の下部から上部方向に供給されるガスが、シリコン粒子が流動される流動層を形成する。シリコン粒子は、高温の流動層に導入されたケイ素含有反応ガスの外部にＳｉ元素が析出することで、次第に増加する。
【０００６】
前記鐘型反応器の場合、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、及びこれらの混合ガスのようなＳｉ−Ｈ−Ｃｌ系シラン化合物が、ケイ素含有反応ガスとして、流動層反応器に使用される。通常この反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの中から選択された少なくとも１種のガス成分を更に含む。
【０００７】
多結晶シリコンの製造のためのシリコン析出を得るためには、反応温度、またはシリコン粒子の温度は、モノシランについては約６００〜８５０℃に、商業的大量生産に最も広範囲に使用されるトリクロロシランについては約９００〜１，１００℃に維持されなければならない。
【０００８】
シリコン析出工程の間、ケイ素含有反応ガスの熱分解及び／または水素還元反応工程において多様な素反応が起こる。更に、ケイ素元素は、反応ガスの組成により、異なる経路で粒子に成長する。素反応に含まれるもの、及び粒子の成長の経路に関わらず、流動層反応器により粒状の多結晶シリコン製品が生産される。
【０００９】
シリコン析出及び／またはシリコン微粒子の結合が続けられると、小さいシリコン種晶は、サイズが増加し、流動層の下部に次第に沈殿する。前記種晶は流動層反応器の内部で直接生成され得るか、流動層反応器の外部で製造した後、流動層反応器の内部に連続的に、周期的に、または断続的に供給され得る。シリコン析出反応によりサイズが増大された多結晶シリコン生成物、またはシリコン粒子は、反応器の下部から連続的に、周期的に、または断続的に取り出される。
【００１０】
前記流動層反応器は、シリコン析出が発生し得る表面積が広いため、製造の収率において前記鐘型反応器の場合より優位である。更に、粒状の多結晶シリコン製品は、棒状製品とは異なり、単結晶成長、結晶ブロックまたは膜の製造、表面処理及び改質、反応または分離用化学物質の製造、シリコン粒子の成形または粉砕などを含むシリコン応用工程で容易に使用され得る。その上、粒状の多結晶シリコン生成物は、連続的または半連続的方法で運転されるこのような工程を可能とする。
【００１１】
前記流動層反応器を利用して粒状の多結晶シリコンを連続的にまたは半連続的に生産するのに最も難しい工程の一つは、析出反応に必要な温度を維持するために、シリコン粒子を加熱することである。流動層反応器の内部のシリコン粒子の不純物汚染を最小化しながら、析出反応に必要な温度を維持するためにシリコン粒子を加熱するにあたって、以下のような問題が伴う。前記流動層反応器に供給される反応ガスは、約３００℃以上の温度でシリコン析出を発生させることができる。しかし、シリコン析出は、反応ガス加熱手段の壁面に発生し、運転の継続に伴ってシリコン析出物が堆積されるため、前記反応ガスが、流動層反応器に供給される前に十分に予熱され得ない。更に、シリコン析出が、高温の反応ガスに継続的に露出された反応器構成要素の表面で発生するため、シリコン析出物が自然にその上に堆積される。従って、反応器の内壁面を加熱する従来の方法によってシリコン粒子を十分に加熱することは難しく、反応器を長時間安定的に運転することも不可能である。更に、不純物汚染を最小化しながら、シリコン粒子の効果的な加熱を可能とする方法は稀である。
【００１２】
このような問題を解決するために多様な技術的解決策が提示されている。主に、流動層反応器の内部空間を、析出反応がシリコン粒子の表面で起きる反応領域と、シリコン粒子を加熱するための加熱領域に区分することに基づき、前記加熱領域を通して前記反応領域を間接的に加熱することである。
【００１３】
流動層反応器の内部空間を加熱領域と反応領域に区分する方法の一つとして、前記分離手段を取り囲む外部空間が外部加熱器により加熱され、分離手段の内部の空間が、シリコン析出が起きる反応領域となるように、シリコン粒子層の内部に、管状分離手段が設置される。この方法によると、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４などに説明されるとおり、加熱領域でシリコン粒子が下部に移動し、これらが反応ガスにより反応領域の上部に移動することで、継続的に循環する流動層が形成される。しかし、この方法は下記のような問題を持つ。反応領域と加熱領域に同心円状に区分する分離手段の直径は、加熱領域の外部直径より小さいため、シリコン析出と堆積が、反応領域に露出される分離手段の内表面に激しく発生し、反応器を長時間運転することが難しくなる。また、円周方向に沿ったシリコン粒子の循環が不均一であるため、前記方法は大量生産に適していない。
【００１４】
流動層反応器の内部空間を加熱領域と反応領域に区分する別の方法として、上部及び下部空間が、反応ガスの出口の高さを基準として、各々反応領域と加熱領域に区分され得るように、シリコン粒子層に反応ガス供給手段の反応ガスの出口を位置させることができる。前記加熱領域内のシリコン粒子は、前記反応領域の反応温度を維持するために加熱される。この方法によると、前記加熱領域内のシリコン粒子の全部または一部が流動されるように、水素のようなシリコン析出を起こさない流動ガスが、反応器の下部から上部に供給される。更に、前記反応領域内のシリコン粒子は、反応ガスにより流動される。シリコン粒子が２つの領域の接触部分で互いに混合されるため、熱が加熱領域から反応領域に継続的に伝達される。これに関して、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９及び特許文献１０には、シリコン粒子層の空間を、反応領域と加熱領域に区分し、加熱領域を電気抵抗加熱器、マイクロ波加熱手段などを利用した従来の方法により加熱することで、反応領域の内部の反応温度を維持する方法を開示している。しかしながら、流動層反応器の生産性の問題、または大容量の反応器についての所定の反応温度にシリコン粒子層を維持することが難しいという事実を考慮して、流動層反応器を利用した多結晶シリコンの大量生産において、加熱領域をより効率的に加熱することができる方法が要求される。更に、加熱領域内の、高速で流れる流動ガスを加熱するには大量のエネルギーの使用を要するため、シリコン粒子の加熱は非効率的となる。
【００１５】
これに関し、特許文献１１は、加熱領域にシリコン粒子の流動が起きることなく、流動ガスが反応温度以上に加熱され得るように、シリコン粒子層内の上部空間と下部空間を反応領域と加熱領域に区分し、加熱器で加熱された加熱管が加熱領域に少量の流動ガスを供給する、流動層反応システムを提案している。シリコン粒子が加熱領域と反応領域の接触部分で周期的に互いに混合され得るように、パルス生成装置がシリコン粒子を前後に振動させることで、析出反応温度は維持される。特許文献１１で提案されたパルス生成装置を利用してシリコン粒子層に振動による物理的衝撃を加えると、加熱領域と反応領域でシリコン粒子の一部が強制的に混合されてしまう。しかし、この方法では、大容量の反応器内の２つの領域の温度差を最小化しながら粒子を均一に混合することは難しい。化学工程で一般的に使用される他の成分とは異なり、流動層反応器の構成要素の材料選択においては制限がある。特に、シリコン粒子と接触する反応管は、高純度多結晶シリコンの製造で不純物汚染の原因となってはならない。多結晶シリコンの製造用流動層反応器の本質的な構成要素である反応器は、常に高温の流動するシリコン粒子と接触しているため、一般的に、不純物汚染を防止するために高純度の石英またはケイ素で作られる。シリコン粒子の流動により起こる不規則な振動と強い応力により、反応管は機械的衝撃に対して脆弱である。従って、特許文献１１に開示されたパルス生成装置を利用してシリコン粒子層に周期的に物理的衝撃を加えると、反応管の安定性を著しく毀損させ、流動層反応器の運転を安全に持続させることは難しい。
【００１６】
従って、前述した問題を解決することができ、流動層反応器の機械的安定性に影響を及ぼすことなく、反応領域内の反応温度を安定的に維持し得る加熱領域の構成とこれらの操作方法は、粒状の多結晶シリコンの大量生産のための必須条件である。さらに、反応圧力を増加させて流動層反応器の生産性を著しく向上させるためには、十分な熱の供給が必要である。加熱領域での熱負荷を最大化することで、加熱領域から供給される熱が、反応領域に効果的に活用され得るように、流動層反応器を構成し、操作することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開昭５９−４５９１７号
【特許文献２】米国特許第４，４１６，９１４号（１９８３年）
【特許文献３】米国特許第４，９９２，２４５号（１９９１年）
【特許文献４】米国特許第５，１６５，９０８号（１９９２年）
【特許文献５】米国特許第５，３７４，４１３号（１９９４年）
【特許文献６】米国特許第５，３８２，４１２号（１９９５年）
【特許文献７】米国特許第６，００７，８６９号（１９９９年）
【特許文献８】米国特許第６，５４１，３７７号（２００３年）
【特許文献９】米国特許第７，０２９，６３２号（２００６年）
【特許文献１０】特開第２００１−１４６４１２号
【特許文献１１】米国特許第６，８２７，７８６号（２００４年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、本発明の目的の一つは、流動層反応器の機械的安定性を毀損することなく、粒状の多結晶シリコンの形成に要求される熱を十分に供給することによって、シリコン析出条件を安定に維持することにより、流動層反応器の生産性を改善することが可能な方法と装置を提供することである。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明の発明者は、粒状の多結晶シリコン用流動層反応器の構成と運転は下記条件を満足させることが好ましいという実験的結果に基づいて本発明を完成するに至った。
（１）反応管内部にシリコン粒子層を形成する空間は、反応ガス供給手段により反応領域と加熱領域に区分されなければならない。
（２）反応領域でのシリコン析出反応に必要な熱は、加熱領域のシリコン粒子と、この領域を継続的に通過する流動ガスを、加熱領域の内部空間に設置された内部加熱器を利用して、共に加熱することにより供給される。
（３）加熱領域に供給された熱が反応領域に迅速に伝達され得るように、反応領域と加熱領域との間のシリコン粒子は、持続的に流動状態で混合される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明は、
シリコン粒子層に流動ガスを供給する流動ガス供給手段上の、反応器シェルの内部に垂直に設置された反応管内部に、シリコン粒子層を形成し；反応ガス供給手段を、前記反応ガス供給手段の反応ガスの出口が、前記流動ガス供給手段の流動ガスの出口より高く位置され得るように、シリコン粒子層の内部に垂直に設置し；前記反応管内の上部と下部の空間を、それぞれ反応領域と加熱領域として、基準高さとして選択された前記反応ガスの出口の高さにより定義し；前記反応ガス供給手段と前記反応管の内壁との間の空間に設置された内部加熱器を利用した電気抵抗加熱を遂行することにより、前記加熱領域で前記流動ガス及びシリコン粒子を加熱し；前記反応領域と前記加熱領域との間で、前記シリコン粒子が持続的に流動状態で混合され得る速度で前記流動ガスを供給することにより、前記反応領域の反応温度を所定の反応温度の範囲内に維持し；前記反応領域におけるシリコン析出によりシリコン粒子のサイズが成長し得るように、前記反応ガス供給手段を利用して反応ガスを供給し；前記反応領域を通過する流動ガス、未反応反応ガス及び副生成物ガスを含む排ガスを、ガス排出手段を利用して前記流動層反応器の外部に排出し；および、前記シリコン粒子の一部を、粒子排出手段を利用してシリコン製品粒子として前記流動層反応器の外部に排出することを含む、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法を提供する。
【００２１】
選択的に、前記流動ガスが前記充填層を通過する間に加熱され得るように、前記加熱領域に含まれ、前記反応管の前記内壁、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び前記内部加熱器により取り囲まれた空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を使用して、充填層が形成され得る。
【００２２】
選択的に、前記シリコン製品粒子は、前記充填材料との間に形成された空間に滞留するか、移動した後、前記粒子排出手段によって前記流動層反応器の外部に排出され得る。
【００２３】
好ましい実施形態においては、前記反応温度は、６００〜１，２００℃の範囲内に維持される。
【００２４】
好ましい実施形態においては、前記内部加熱器は、１つまたは複数個の加熱器ユニットを含む。前記各加熱器ユニットは、電気抵抗加熱が発生する抵抗体を含む。前記抵抗体による前記シリコン粒子の汚染を防止または最小化するために、前記抵抗体は保護管の内部に設置され得る。その代りに、１つまたは複数の分離層が前記抵抗体の表面に形成され得る。あるいは、前記加熱器ユニットは、前記抵抗体の上に分離層を形成し、保護管で取り囲むことで構成され得る。
【００２５】
好ましい実施形態においては、前記流動ガスは、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を含むことができる。
【００２６】
好ましい実施形態においては、前記反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種のケイ素含有成分を含むことができる。
【００２７】
選択的に、前記反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含むことができる。
【００２８】
選択的に、前記流動層反応器の外部に製造されたシリコン種晶は、種晶供給手段を利用して前記反応器に供給され得る。
【００２９】
好ましい実施形態においては、単位時間当り前記加熱領域に供給される前記流動ガスの供給速度は、前記シリコン粒子が、前記反応ガスを供給することなく、前記反応領域内において、反応温度範囲で流動され始める、最小の流動状態における供給速度の１．０〜５．０倍である。
【００３０】
選択的に、加熱領域に露出される前記反応ガス供給手段は、前記反応ガスノズルが保護され得るように、１つまたは複数のノズルが、前記反応ガスを供給するための反応ガスノズルを取り囲む同軸多重管の形態に構成される。
【００３１】
選択的に、前記反応ガスノズルの内壁面におけるシリコン析出物の堆積が防止され得るように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を含む不活性ガスが、同軸多重管の環状領域に流れる。
【００３２】
選択的に、前記反応ガスノズルの出口におけるシリコン析出物の堆積を防止するため、または形成されたシリコン析出部を除去するために、前記不活性ガスに、連続的、断続的、または周期的に、塩化水素が添加され得る。
【００３３】
好ましい実施形態においては、前記反応器シェルの内部空間を、前記反応管内部に形成された内部領域と、前記反応シェルと前記反応管との間に形成された外部領域に分ける反応管は、反応器シェルにより取り囲まれるように反応器シェルの内部に垂直に設置され、前記内部領域には、前記シリコン層が存在し、前記反応領域と加熱領域が含まれ、一方前記外部領域には、前記シリコン層が存在せず、シリコン析出が生じないように、前記流動層反応器は構成される。
【００３４】
選択的に、前記外部領域が十分不活性ガス雰囲気下に維持されるように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された不活性ガスが、外部領域に導入される。
【００３５】
好ましい実施形態においては、前記外部領域の圧力Ｐｏと前記内部領域の圧力Ｐｉの差が、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持される。
【００３６】
選択的に、前記外部領域の圧力Ｐｏ、または前記内部領域の圧力Ｐｉは、絶対圧力で１〜２０バールの範囲内に維持される。
【００３７】
選択的に、前記内部領域を加熱するために、前記内部加熱器に加えて補助加熱器が、前記外部領域に備え付けられる。
【００３８】
選択的に、前記補助加熱器の熱負荷は、前記内部加熱器の熱負荷の１０〜１００％の範囲内である。
【００３９】
選択的に、前記内部領域は、前記内部加熱器に加えてマイクロ波により加熱される。
【００４０】
本発明の目的を達成するために、粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器は：反応管と；前記反応管を取り囲む反応器シェルと；前記反応管内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガスを供給するための流動ガス供給手段と；前記シリコン粒子層内にシリコン析出に必要な反応ガスを供給するために、シリコン粒子層の内部に垂直に、反応ガス供給手段の反応ガスの出口が前記流動ガス供給手段より高く位置されるように設置された反応ガス供給手段と；前記反応ガス供給手段と前記反応管の内壁との間の空間に設置された内部加熱器と；前記反応ガスの出口の基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管の上部と下部の空間に相当する反応領域と加熱領域と；前記反応管、前記内部加熱器および前記反応ガス供給手段との間に形成され、内部で前記反応領域と前記加熱領域との間における粒子の混合が継続的に、流動状態に維持されるように、前記流動ガスと前記シリコン粒子が前記内部加熱器の電気抵抗加熱により加熱される空間と；前記反応領域を通過する流動ガス、未反応反応ガスおよび反応副生成物ガスを含む排ガスを前記流動層反応器の外部に排出するためのガス排出手段；及び、前記シリコン析出により、前記反応管内に形成された前記シリコン粒子の一部を、シリコン製品粒子として前記流動層反応器の外部に排出するための粒子排出手段とを具備する。
【００４１】
選択的に、充填材料の充填層は、前記加熱領域に具備され、前記反応管の内壁、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び内部加熱器により取り囲まれる空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を利用して形成される。
【００４２】
好ましい実施形態においては、前記反応管の内部空間は、前記シリコン粒子層が存在し、シリコン析出が起こる内部領域と定義され、一方、前記反応管と前記反応器シェルとの間の空間は、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない外部領域と定義される。
【００４３】
好ましい実施形態においては、前記反応器シェルは、炭素鋼及びステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属で製造され得る。
【００４４】
好ましい実施形態においては、前記反応管は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択された単一成分物質または複数の物質で製造され得る。
【００４５】
選択的に、前記反応管は、単一層またはその厚さ方向において、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる。
【００４６】
好ましい実施形態においては、前記充填材料は、平均直径が５ｍｍ〜５０ｍｍであり、球体、ビーズ、ボール、顆粒、破片（ｆｒａｇｍｅｎｔ）、塊、楕円体、多面体、小石（ｐａｂｂｌｅ）、パレット、リングまたは小塊、及びこれらの混合からなる群から選択された形態を有する。
【００４７】
好ましい実施形態においては、前記内部加熱器は、１つのまたは複数個の加熱器ユニットを含む。
【００４８】
選択的に、前記加熱器ユニットは、直列及び／または並列に、電気的に相互に接続される。
【００４９】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットは、前記反応器シェルに結合された電気接続手段を通して、電力供給源と電気的に接続される。
【００５０】
好ましい実施形態においては、前記電気接続手段は、前記反応器シェルの内部及び／または外部に設置された電極を含む。前記電極をつうじて、前記加熱器ユニットは、電気的に直列及び／または並列に相互接続される。
【００５１】
選択的に、前記電極は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された少なくとも１種の金属元素からなる金属または合金で製作されるか、表面が炭化ケイ素として処理された黒鉛で製造され得る。
【００５２】
選択的に、前記内部加熱器に加えて、補助加熱器が、前記外部領域に更に設置され得る。
【００５３】
選択的に、前記内部加熱器に加えて、電気エネルギーからマイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝達する導波管、またはマイクロ波発生器が、前記内部領域内のシリコン粒子を加熱するために、マイクロ波を供給する前記反応器シェルに結合されるように、更に設置される。
【００５４】
好ましい実施形態においては、前記流動ガス供給手段は、前記加熱領域の下部に前記流動ガスを分散するための、格子の形態であるガス分散板、複数の穴を有するディスクまたは円錐形板、またはガス分散アッセンブリを具備し、および／または複数の流動ガス供給ノズルを具備する
【００５５】
選択的に、加熱領域に露出される反応ガス供給手段は、前記反応ガス供給用ガスノズルが、１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成される。
【００５６】
選択的に、前記粒子排出手段は、同軸多重管の形態で、前記反応ガス供給手段と共に、または前記反応ガス供給手段と別に独立した形態で構成される。
【００５７】
選択的に、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段、前記粒子排出手段及び/または充填材料は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された物質で製造される。
【００５８】
選択的に、前記流動ガス供給手段、前記反応ガス供給手段及び／または前記粒子排出手段は、単一成分物質、またはその厚さ方向において、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる。
【００５９】
選択的に、本発明の装置は、前記外部領域を十分不活性ガス雰囲気に維持するための不活性ガス接続手段、前記内部領域の圧力Ｐｉ及び／または外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御するための圧力制御手段、及び／又は前記外部領域の圧力Ｐｏ及び前記内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲に維持するための圧力差制御手段を含む。
【００６０】
選択的に、前記外部領域に断熱材が設置される。
【００６１】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットに含まれ、電気抵抗加熱が発生する抵抗体は、円形、楕円形または多角形の断面を有する棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または同心円形、同心楕円形または同心多角形の断面を有する導管、チューブ、シリンダー及びダクトの形態であり、前記断面の形状及び／または大きさが長さ方向に沿って不変または可変である。
【００６２】
選択的に、前記抵抗体は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１種または２種の物質で製造される。
【００６３】
選択的に、前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される。
【００６４】
選択的に、前記抵抗体は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属で製造される。
【００６５】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットは、前記抵抗体がシリコン粒子と直接接触することを防止するために、前記抵抗体の外部に保護管を設置するか、１つのまたは複数の分離層を前記抵抗体の表面に形成するか、または前記分離層を形成した後、前記抵抗体の外部に保護管を設置して構成される。
【００６６】
選択的に、前記保護管は、その厚さ方向に、同心円形、楕円形または多角形の断面を持つ。
【００６７】
選択的に、前記分離層及び／または前記保護管は、それぞれ異なる障壁成分からなる１〜５の分離層を含み得る。
【００６８】
好ましい実施形態においては、前記障壁成分は、前記抵抗体から前記シリコン粒子及び／または前記流動ガスへの不純物の移動を防止する成分を含む。
【００６９】
好ましい実施形態においては、前記障壁成分は、電気絶縁成分を含む。選択的には、前記障壁成分は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）の窒化物、酸化物、炭化物または酸窒化物を含む。
【００７０】
選択的に、前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択される１種または複数個の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む。
【００７１】
選択的に、前記分離層の厚さは、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であり、および／または前記保護管の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内である。
【００７２】
選択的に、前記分離層は、ケイ素を障壁成分とし、１μｍ〜５ｍｍ範囲内の厚さを有するシリコン層を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
この発明の上記及び他の特徴について、特定の実施例に関して以下のような添付図面に図示し説明する。
【図１】本発明による粒状の多結晶シリコンの形成方法を概略的に示した例示図である。
【図２】本発明による粒状の多結晶シリコンの形成方法を概略的に示した別の例示図である。
【図３】本発明による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した例示図である。
【図４】本発明による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した別の例示図である。
【図５】マイクロ波発生器が内部領域に更に追加された、本発明による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した例示図である。
【図６】抵抗体の断面が円形または同心円形である、本発明によるＵ型の内部加熱器の断面を概略的に示した例示図である。
【図７】本発明による放射管型の内部加熱器の断面を概略的に示した例示図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
次に、本発明について、添付図面を参照して更に詳しく説明する。
【００７５】
本発明による粒状の多結晶シリコンの形成方法は、図１または図２に概略的に図示されているように、反応管２が反応器シェル１の内部に垂直に設置され、シリコン粒子３が前記反応管２内に存在し、その内部空間は反応領域Ｚｒ及び加熱領域Ｚｈを含む点に基づく。
【００７６】
本発明の流動層反応器に供給されるガスは、シリコン粒子層の下部に設置された流動ガス供給手段１４から加熱領域Ｚｈを経て反応領域Ｚｒに流れる流動ガス１０と、反応ガス供給手段１５から反応ガスの出口を経て反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１を含む。
【００７７】
更に、本発明の流動層反応器において、流動ガス１０を供給する流動ガス供給手段１４上に形成され、シリコン粒子層内にシリコン析出に必要な反応ガス１１を供給するために設置される反応ガス供給手段１５の反応ガスの出口は、前記反応管２の内部領域４内の上部空間と下部空間が、各々反応領域Ｚｒ及び加熱領域Ｚｈと定義され得るように、流動ガス供給手段１４の流動ガスの出口より高く位置される。
【００７８】
反応ガス供給手段１５の内部に流れる反応ガス１１は、約３００〜３５０℃の範囲内の初期分解温度より低くなければならないため、反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１の温度は、シリコン析出に必要な、６００〜１，２００℃の範囲内の反応温度より低くなければならない。
【００７９】
本発明によると、反応温度を維持するために必要なシリコン粒子３及び流動ガス１０の加熱は、主に、反応管２の内部で反応領域Ｚｒと空間的に接続される加熱領域Ｚｈで行われる。
【００８０】
シリコン析出用流動層反応器の生産性は、多様な反応条件により決定される。どのような場合でも、反応領域Ｚｒの温度、または反応領域Ｚｒで流動するシリコン粒子３の温度は、あらかじめ決定された温度範囲内にとどまらなければならない。
【００８１】
従って、反応ガス１１の供給に伴うシリコン粒子の冷却、シリコン析出による反応熱、反応管２の外部への熱損失などを考慮すると、シリコン析出に必要な反応温度を維持するために、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒに、多量の熱が素早く伝達される必要がある。
【００８２】
持続的な加熱という要求を満足させる理想的な方法は、反応領域Ｚｒに直接加熱のための加熱器を設置することである。しかし、この方法は、高温の加熱器の表面と反応ガス１１が接触することにより、シリコン析出が加熱器の表面に過剰に起こるため、実際に適用することはできない。
【００８３】
従って、所定の反応温度、圧力とガス成分において、単位時間当りの反応ガスの供給量を増加させながら流動層反応器の生産性を向上するためは、単位時間当りの加熱領域Ｚｈの熱負荷が十分であることが要求される。
【００８４】
本発明は、反応ガス供給手段１５と反応管２の内壁との間に設置された加熱領域Ｚｈにおいて、内部加熱器８ａを利用した電気抵抗加熱を通して流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱することに重点を置く。
【００８５】
本発明は、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、シリコン粒子が持続的に流動状態で互いに混合され得るように、流動ガス１０が連続的に供給されることをも特徴とする。結果として、加熱領域Ｚｈに供給される熱は、反応領域Ｚｒに速い速度で伝達され、反応領域Ｚｒ内の反応温度は、所定の反応温度範囲内に維持され得る。
【００８６】
本発明により、反応領域Ｚｒが加熱領域Ｚｈを通して加熱されると、反応ガス供給手段１５により反応ガス１１を供給することで、反応領域Ｚｒでのシリコン析出反応により大きいサイズのシリコン粒子の形成が可能となる。
【００８７】
反応領域Ｚｒに供給された反応ガス１１の大部分または一部は、反応により反応副生成物ガスに転換されるが、一部は未反応反応ガスとして残り得る。
【００８８】
従って、反応領域Ｚｒを通過する排ガスは、加熱領域Ｚｈを通過した流動ガス１０、未反応反応ガス１１、反応副生成物ガスなどを含み、排ガス１３は、内部領域４の内部に堆積されないように、ガス排出手段１７を利用して流動層反応器の外部に排出されることが必要である。
【００８９】
排ガス１３により運ばれた細かいシリコン粉末または高分子量の反応副生成物は、排ガス処理手段３４により分離される。前記排ガス処理手段３４は、粉末分離機、フィルター、充填塔、気体洗浄器、遠心分離機、またはこれらの組み合わせからなる。図２または図３に図示されるように、前記排ガス処理手段３４は、反応器シェル１の内部領域の上部空間４ｃに設置されるか、反応器シェル１の外部に、流動層反応器と別途に設置され得る。
【００９０】
前記排ガス処理手段３４により分離されたシリコン粉末は、他の目的のために活用されるか、または、シリコン粒子の製造のための種晶３ａとして、反応器内部領域４に再循環されることもできる。
【００９１】
シリコン析出反応が進むと、シリコン粒子３の平均サイズ及び層の高さが次第に増加する。従って、シリコン粒子層を許容範囲内に維持しながら粒状の多結晶シリコンを連続的または半連続的に形成するために、シリコン粒子３の一部をシリコン製品粒子３ｂとして、粒子排出手段１６を利用して流動層反応器の外部に排出することが必要である。
【００９２】
以上説明した通り、本発明は、流動層反応器を利用して粒状の多結晶シリコンを形成する方法を提供するが、反応器シェル１内に垂直に設置された反応器２の内部に流動ガス１０を供給する流動ガス供給手段１４上に形成されるシリコン粒子層内に、シリコン析出に必要な反応ガス１１を供給する反応ガス供給手段１５の反応ガスの出口が、前記反応ガスの出口の高さを基準として、前記反応管２の内部領域３内の上部空間と下部空間が反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈに各々区分され得るように、流動ガス供給手段１４の流動ガスの出口より高く位置され、反応ガス供給手段１５と反応管２の内壁との間の空間に設置された内部加熱器８ａを利用して、加熱領域Ｚｈにおいて、電気抵抗加熱を通して流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱し；シリコン粒子が反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、持続的に、流動状態で互いに混合され得るように流動ガス１０を供給することで、反応領域Ｚｒの反応温度を所定の反応温度範囲内に維持し；反応領域Ｚｒにおけるシリコン析出により、シリコン粒子のサイズが増加し得るように、反応ガス供給手段１５を利用して反応ガス１１を供給し；ガス排出手段１７を利用して、反応領域Ｚｒを通過する流動ガス１０、未反応反応ガス１１、反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出し；粒子排出手段１６を利用して、シリコン粒子３の一部をシリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出する段階を含む。
【００９３】
加熱領域Ｚｈにおいて、上部を流れるシリコン粒子３と流動ガス１０が内部加熱器８ａにより加熱されるため、高さとともに温度が増加する。
【００９４】
一般的に、流動ガス１０は、流動層反応器の外部に設置された予熱器を利用して予熱した後、流動ガス供給手段１４に供給されるか、ガス予熱手段が、流動ガス供給手段１４に設置され得る。また、室温で加熱領域Ｚｈに流動ガスを供給し、内部加熱器８ａにより加熱することも可能である。不純物汚染、熱損失の問題などを考慮すると、流動ガス１０は約２００〜３００℃以下に予熱され得る。
【００９５】
予熱に関係なく、流動ガス１０は、加熱領域Ｚｈを通過する間に、反応温度またはそれ以上の温度まで加熱される必要がある。従って、内部加熱器８ａの熱負荷は、流動ガス１０の流量が増加するに従って増加する。
【００９６】
本発明により、シリコン粒子が、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、持続的に、流動状態で互いに混合されるようにする流動ガス１０の供給において、加熱領域Ｚｈの上部における、流動ガスの流速、即ちｕｈ値（ｃｍ／ｓｅｃ）は、シリコン粒子の平均サイズに該当する最小流動化速度（ｕｍｆ）より高くなければならない。
【００９７】
この目的のために、加熱領域Ｚｈの下部に単位時間当り供給される流動ガス１０の流量、即ちＦ値（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）は、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒにより多くの熱を供給するために増加し得る。
【００９８】
しかし、内部加熱器８ａの熱負荷が十分ではないにも関わらず、Ｆ値（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）が極端に増加すると、流動ガス１０を反応温度、またはそれ以上の温度に加熱することが難しくなる。
【００９９】
内部加熱器８ａが十分な熱負荷を有するため、流動ガス１０が十分に加熱されても、反応ガス１１が不要な流動ガス１０と混合され、結果的にスラッギング（ｓｌｕｇｇｉｎｇ）、またはシリコン粒子が不必要なほどの高温で反応領域Ｚｒに流動することによる他の問題は、シリコン析出の低下を引き起こす。
【０１００】
加熱領域Ｚｈの上部で必要なｕｈ値を小さいＦ値で得るために、加熱領域Ｚｈを取り囲む反応管２の内径は減少され得る。しかし、この場合、内部加熱器８ａ、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６などを設置する空間は十分ではない。
【０１０１】
更に、小さいＦ値は、加熱領域Ｚｈ、特に比較的温度が低い下部空間で、シリコン粒子が十分に流動されず、内部加熱器８ａによる流動ガス１０及びシリコン粒子３の加熱も不十分であり、流動ガス１０の流れも不均一となるという結果をもたらす。
【０１０２】
このような問題を最小化しながらＦ値を減らすために、加熱領域Ｚｈの内部空間で流動ガス１０が流れる断面空間を最小化すると同時に、加熱領域Ｚｈに供給された熱を反応領域Ｚｒに早く伝達することが必要である。
【０１０３】
図２に概略的に図示されるように、充填層は、加熱領域に含まれ、反応管２の内壁、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５及び内部加熱器８ａにより取り囲まれる空間の全体または一部に、流動ガス１０が充填層を通過しながら加熱され得るように、流動ガス１０の流れにより流動されない充填物２２を利用して形成される。
【０１０４】
充填物２２を利用して加熱領域Ｚｈに形成された充填層は、流動ガス１０がほぼ均一に分散されること、および充填物２２の間に形成された空間で、流動ガス１０とシリコン粒子３の接触する機会の増加を確実にする。
【０１０５】
更に、充填物２２は内部加熱器８ａの表面積を増加させることで、シリコン粒子３と流動ガス１０をより効果的に加熱し、高温の加熱領域から反応器シェル１の下部に伝達される熱を最小化することができる。
【０１０６】
更に、図２に概略的に図示されるように、シリコン析出工程において、シリコン粒子は、充填層２２の間に形成された空間に滞留するか、移動した後、加熱領域Ｚｈから流動層反応器の外部に断続的、周期的、または連続的に、シリコン製品粒子３ｂとして、必要に応じて排出され得る。
【０１０７】
この、流動ガス供給手段１４により加熱領域Ｚｈの下部に供給された流動ガス１０によるシリコン製品粒子３ｂが冷却される機会の著しい増加は、シリコン製品粒子３ｂの更なる冷却という負荷を軽減させる。
【０１０８】
シリコン粒子が連続的に流動される反応領域Ｚｒの単一温度を特定することは不可能であるため、温度の変動が観察される。従って、特定値の代りに、所定の、許容可能な範囲に反応温度を処理することが必要である。
【０１０９】
本発明によれば、内部加熱器８ａは、反応領域Ｚｒでの反応温度範囲が６００〜１，２００℃の範囲内で維持され得るように、シリコン粒子３と流動ガス１０を加熱領域Ｚｈで加熱し得なければならない。
【０１１０】
より明確な反応温度の範囲は、様々な圧力及び温度、流動ガス１０と反応ガス１１の成分及び組成、供給速度及び予熱温度、反応温度の測定基準などによる予備実験から容易に事前に定められ得る。
【０１１１】
反応温度は様々な方法で測定され得る。例えば、反応領域Ｚｒの内部、反応管２の外壁面または反応器の上部の温度は、熱電対またはパイロメーターのような測定器を利用して直接測定され得る。一方、反応温度は、排ガス１３の組成を分析することで間接的に推定され得る。
【０１１２】
反応領域Ｚｒで所定の範囲内に反応温度を維持するために、加熱領域Ｚｈで流動ガス１０とシリコン粒子３を、反応温度より高い温度まで加熱することが好ましい。
【０１１３】
加熱領域Ｚｈでの電気加熱のために、内部加熱器８ａは各々の加熱ユニットが電気抵抗加熱が発生する抵抗体を含む、１つまたは複数個の加熱器ユニットを含み得る。
【０１１４】
図１、図２及び図５は、それぞれ、２つの加熱器ユニットを含む内部加熱器８ａを図示している。空間がさらに利用できるならば、熱負荷を増加するため、より多くの加熱器ユニットが設置され得る。
【０１１５】
各加熱器ユニットは、シリコン粒子層で高温のシリコン粒子３と流動ガス１０と接触せざるを得ないため、高純度多結晶シリコンの形成のためには、抵抗体３８による粒子の汚染を最小化し、または防止することが重要である。
【０１１６】
本発明において、抵抗体３８によるシリコン粒子３の汚染を防止または最小化するために、（i）抵抗体３８は保護管４０に設置されるか；（ii）それぞれ異なる障壁成分からなる１つまたは複数の分離層３９が抵抗体３８の表面に形成されるか；または（iii）前記分離層３９が形成された抵抗体３８の外部に保護管４０が形成される。
【０１１７】
加熱領域Ｚｈの上部の温度は、流動ガス供給手段１４の流動ガスの出口の温度より高いため、本発明に従って、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈのシリコン粒子が持続的に、流動状態で互いに混合される流速で流動ガス１０が供給されたにもかかわらず、加熱領域Ｚｈの下部におけるシリコン粒子が流動されないことがあり得る。
【０１１８】
本発明において、シリコン粒子３の流動とは、シリコン粒子の空間的位置が、ガスの流れ、ガス気泡の移動や変化、及び／または周辺粒子の移動により短時間で変化され得ることを意味する。
【０１１９】
シリコン粒子と反応を引き起こさない非反応性ガスが、流動ガス１０として一般的に使用され、それらは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスの中から選択され得る。
【０１２０】
流動ガス１０は、前記非反応性ガス成分より密度と粘度が高いガス成分を更に含み得る。特に、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）などのようなＳｉ−Ｈ−Ｃｌ系塩素化合物成分が前記目的として使用され得る。
【０１２１】
流動ガス１０が非反応性ガスと塩素化合物を含む場合、加熱領域Ｚｈで得られた温度範囲内で、高純度シリコン粒子３と流動ガス１０との間にシリコン析出またはシリコンエッチングの明らかな発生を避けるために、熱力学的平衡分析または予備実験を通して、塩素化合物の許容濃度範囲を決定する必要がある。
【０１２２】
従って、本発明で使用される流動ガス１０は、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、及び塩化水素の中から選択された１つまたは複数の成分を含み得る。
【０１２３】
反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１は、シリコン析出反応を通した粒状の多結晶シリコン製品を形成するＳｉ元素の供給源であるため、Ｓｉ元素含有成分を含まなければならない。
【０１２４】
本発明で使用される反応ガス１１は、Ｓｉ元素を含有する成分としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）の中から選択される１つまたは複数の成分を含み得る。
【０１２５】
本発明で使用される反応ガス１１は、シリコン析出源としては、前述したシラン化合物などのみを含み得、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素（ＨＣｌ）、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含み得る。従って、反応ガス１１は、シリコン析出源を提供し、流動ガス１０と共に反応領域Ｚｒでのシリコン粒子３の流動に寄与する。
【０１２６】
本発明による粒状の多結晶シリコンの連続的または半連続的形成において、流動層を構成するシリコン粒子３の個数と平均粒子サイズを一定範囲内に維持することが要求される。従って、製品として排出されるシリコン製品粒子３ｂの個数に相応する種晶３ａを、反応管２の内部領域４に供給することが好ましい。
【０１２７】
前述した通り、排ガス処理手段３４により分離されたシリコン微粒子または粉末の一部は種晶として再活用され得る。しかし、その量が限られており、サイズが非常に小さいため、シリコン粒子の連続生産のためには、シリコン種晶の追加的な製造が不可避である。
【０１２８】
これと関連して、サイズが小さい製品粒子３ｂからシリコン粒子を分離し、これを種晶３ａとして使用することも考慮され得る。しかし、流動層反応器の外部で製品粒子３ｂからサイズが小さい種晶３ａを分離する工程は、不純物汚染の可能性があるため、複雑で、慎重な処理を必要とする。
【０１２９】
このような製品粒子３ｂを分離する追加の工程に代り、サイズが小さいシリコン粒子がシリコン粒子層の内部に戻りながら、製品粒子３ｂが上部方向に流れるガスによって冷却され得るように、粒子排出手段１６の粒子排出経路に沿って分離手段をさらに含み得、それによって、種晶供給の負担を軽減させ、製品粒子３ｂの平均粒径を増大させ、同時に粒径分布を減少させる。
【０１３０】
シリコン製品粒子３ｂから種晶３ａを製造する一般的な方法は、粒子排出手段１６を経て排出されるシリコン製品粒子３ｂのうち一部を、粉砕装置を利用して粉砕することである。このように流動層反応器の外部で製造されたシリコン種晶３ａは、種晶供給手段１８を利用して反応管に供給され得る。
【０１３１】
図２に図示されているように、反応器シェル１ｂに結合されて設置された種晶供給手段１８は、種晶３ａを反応器の内部領域４に、連続的、周期的、または断続的に必要に応じて供給することができる。この方法は、種晶３ａのサイズ及び供給量を必要に応じて制御することができるという長所があるが、付加的な粉砕設備が必要とされる。
【０１３２】
反面、反応ガス供給手段１５に設置された反応ガス供給ノズル、流動ガス供給手段１４に設置された流動ガス供給ノズル、またはシリコン粒子層の内部のシリコン粒子を種晶に粉砕するために別途に設置された粒子粉砕ガスノズルを利用した、シリコン粒子層の内部で、高速のガス噴射が発生する。
【０１３３】
このような種晶３ａを内部領域４で製造する方法は、シリコン粒子の温度が容易粉砕に十分な高温となっているため、シリコン粒子が、ガスノズルの出口で下位の超音波ガスの速度においてさえ容易に粉砕されるという長所がある。この方法は、種晶３ａが不純物汚染なくシリコン粒子層に経済的に製造され得るという長所を持つため、粉砕装置を必要としない。しかし、種晶３ａのサイズ及び生成量を必要範囲内で制御することが難しく、種晶３ａとして活用され得ない微細粉末が大量に生成される可能性がある。
【０１３４】
前述した通り、シリコン種晶３ａの製造及び供給方法において各々長所と短所を持っている。種晶３ａは、製品粒子３ｂのサイズの半分またはそれ以下となる約０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲内の平均サイズを有するのが好ましい。
【０１３５】
種晶３ａの平均サイズが０．２ｍｍより小さい場合、供給される種晶３ａの量は減少するが、種晶３ａは流動ガス１０、反応ガス１１または排ガス１３により容易に排出され得る。対照的に、平均サイズが０．８ｍｍより大きい場合、非常に大量の種晶３ａが供給されなければならない。
【０１３６】
反応領域Ｚｒでシリコン粒子３の成長速度を向上させるために、反応領域Ｚｒでの反応温度は、製品粒子３ｂの生成速度を最大化するために、所定の反応温度内に維持されなければならない。
【０１３７】
この目的のために、シリコン粒子が、過度な供給速度をともなわず、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で持続的に、流動状態で互いに混合され得るように、単位時間当りの加熱領域Ｚｈに供給される流動ガス１０の供給速度、即ち、Ｆ（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）値を設定することが必要である。
【０１３８】
シリコン粒子層での粒子の流動の程度は、温度だけでなく、反応ガス１１の供給速度によって決定されるため、流動ガス１０の流速（ｕ；ｃｍ／ｓｅｃ）を、反応ガス１１を供給することなく、反応温度範囲内で最小流動化状態となる流速ｕｍｆで設定することが好ましい。これは、Ｆｍｆで表されるＦ値における場合も同様である。
【０１３９】
本発明によると、単位時間当りの加熱領域Ｚｈに供給される流動ガス１０の供給速度（Ｆ；ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）は、反応ガスを供給することなく、反応領域１１でのシリコン粒子が前記反応温度範囲内で流動され始める最小流動化状態となる供給速度Ｆｍｆの１．０〜５．０倍の範囲内であることが好ましい。
【０１４０】
Ｆ値がＦｍｆより小さい場合、流動ガス１０の供給速度と内部加熱器８ａの熱負荷は減少するが、加熱領域Ｚｈでの加熱速度が低減し、２つの領域Ｚｈ，Ｚｒの間での粒子の相互混合が不十分となるため、それ故に、熱伝達効率が低くなり、反応温度の維持が困難となる。
【０１４１】
反面、Ｆ値が５Ｆｍｆより大きい場合、加熱領域Ｚｈでの流動ガス１０の加熱速度は速くなり得るが、内部加熱器８ａの熱負荷が増加し、反応領域Ｚｒにおけるガスの流速が非常に高くなることでスラッギング現象が発生するため、シリコン析出の効率が低下する。
【０１４２】
シリコン粒子層の内部に設置される反応ガス供給手段１５は、反応領域Ｚｒに反応ガス１１を安定的に継続供給することができるような様々な構造で構成され得る。
【０１４３】
例えば、反応ガス供給手段１５は、加熱領域Ｚｈに設置されたチューブ型反応ガスノズルのみを含む。ノズルの壁は、内部加熱器８ａによる放射加熱、または高温のシリコン粒子３に接触することにより加熱され、ノズルの内壁温度は、初期分解温度である約３００〜３５０℃以上に維持されなければならない。このことは、ノズルの内壁にシリコン析出と堆積を自然に引き起こす。また、単一管の形態に設置される場合、ノズルは、シリコン粒子３の流動により発生する衝撃及び／または振動により毀損され得る。
【０１４４】
このような問題を防止するために、図２または図４に概略的に図示するように、反応ガス供給手段１５は、反応ガス１１を供給するための反応ガスノズルと、同軸多重管構造の１つまたは複数個のノズルを含み得る。１つまたは複数個のノズルは、反応ガスノズルを取り囲み、反応ガスノズルの保護を提供する。
【０１４５】
図２に図示するように、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２は、反応ガスノズルの内壁面にシリコン析出物の堆積を防止し、機械的脆弱性を補完するために、同軸多重管の中心に沿って反応ガスノズルを保護するためのガスとして導入され得る。
【０１４６】
前記反応ガスノズル保護用ガスの供給速度は、流動ガス１０や反応ガス１１に比べて非常に低くても構わない。シリコン粒子が同軸多重管の環状領域に存在しても、反応ガスノズル保護用ガスは、反応ガスノズルの不必要な過熱を防止することができる。
【０１４７】
そして、反応ガスノズル保護用ガスに供給される不活性ガス１２に塩化水素を連続的、断続的、または周期的に追加することで、前記反応ガスノズルの出口にシリコン析出物が堆積されるのを防止し、または既に形成されたシリコン析出物を除去することができる。このような目的で、非常に多くの塩化水素が供給されると、加熱領域Ｚｒ内のシリコン粒子３でさえ塩化シランに気化され得る。従って、塩化水素の供給量が過多とならないように留意する必要がある。
【０１４８】
本発明によって流動層反応器が加熱領域Ｚｈの内部に設置される内部加熱器８ａにより加熱されると、従来の加熱方法と比べて多くの熱量が反応領域Ｚｒに供給され得る。従って、流動層反応器の生産性が、高圧力下で単位時間当りの反応ガス１１の供給速度を高めることで著しく向上され得る。
【０１４９】
高圧力下におけるシリコン析出のためには、加熱方法の改善に加えて、流動層反応器の機械的安定性、特に流動層内の高温のシリコン粒子に露出される反応管２の機械的安定性を確保することが必要である。
【０１５０】
本発明において、高圧力下でシリコン析出を行うために、図２、図３及び図４に概略的に図示するように、流動層反応器は、反応管２が反応器シェル１の内部に垂直に設置され、反応器シェル１により取り囲まれるように構成される。その結果、反応管の内部空間は、シリコン粒子３層が存在し、加熱領域Ｚｈと反応領域Ｚｒの両方が含まれる内部領域と定義される。更に、外部領域５は、シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が起きない反応管２と反応管シェル１との間の空間とされる。
【０１５１】
このように反応器シェル１の内部空間が反応管２により区分される理由は、反応管２の両側の圧力差が小さい場合、反応管２の機械的安定性が高い反応圧力下でも確保され得るためである。
【０１５２】
更に、高圧力下でのシリコン析出工程において、内部領域４に存在するシリコン粒子が外部領域５の外部の不純物により汚染されることを防止するために、図３及び図５に概略的に図示されているように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスの中から選択された不活性ガス１２が外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するため外部領域５に導入される。
【０１５３】
外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持し、圧力を制御するために、多量の不活性ガス１２を供給する必要はない。
【０１５４】
従って、外部領域５内の不活性ガスの流れは、少量の不活性ガス１２を連続的、断続的、または周期的に外部領域５に供給することで得られる。
【０１５５】
本発明によると、外部領域５の圧力と内部領域４の圧力が各々、外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉで表される場合、２つの領域の圧力差（ΔＰ＝｜Ｐｏ−Ｐｉ｜）は、高圧力下におけるシリコン析出工程で、反応管２の安定性を確保するために、１バール以内に維持される。
【０１５６】
この方法によると、反応管２の安定性を毀損することなく、ＰｉまたはＰｏ値が無限に増加し得るが、反応圧力が絶対圧力で約２０バールを超過する場合、内部加熱器８ａに要求される熱負荷が、時間単位当りの流動ガス１０の供給速度（ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）と反応ガス１１に対して非常に大きくなり、反応温度の維持が実際的に不可能となる。
【０１５７】
従って、本発明の流動層反応器の加熱において、外部領域５の圧力Ｐｏまたは内部領域４の圧力Ｐｉを絶対圧力で１〜２０バール範囲内に維持することが好ましい。
【０１５８】
反応管２の直径が非常に大きい大量生産用流動層反応器を利用した、高圧下でのシリコン析出運転においては、内部加熱器８ａのみで反応温度を維持することが難しい場合は、内部領域Ｚｈを加熱するために、内部領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａに加えて補助加熱器３ｂが外部領域５に設置され得る。
【０１５９】
図３及び図４には、内部領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａに加えて、外部領域５に設置された補助加熱器３ｂを概略的に図示している。
【０１６０】
シリコン析出反応において、追加的な加熱のために、補助加熱器３ｂが内部領域４に設置される場合、反応管２の外部に設置される補助加熱器３ｂの加熱効率が、シリコン粒子層の内部に設置される内部加熱器８ａに比べて劣るため、補助加熱器８ｂの熱負荷が内部加熱器８ａの熱負荷の１００％を超過しないことが好ましい。
【０１６１】
補助加熱器８ｂの熱負荷が内部加熱器８ａの熱負荷の１０％より低い場合、補助加熱器８ｂの追加は、加熱領域Ｚｈの加熱において意義のある効果を提供しないか、または経済性の面で考慮されない。
【０１６２】
従って、補助加熱器８ｂがシリコン析出反応に使用するため外部領域５に設置される場合、補助加熱器８ｂの熱負荷が、内部領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａの熱負荷の１０〜１００％の範囲内であることが好ましい。
【０１６３】
しかし、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ'の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ'は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応領域５に反応ガスを供給し、反応器加熱開始する前にシリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転で反応管２の内壁面に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０１６４】
図３及び図４は、シリコン析出操作の間のシリコン析出物Ｄの形成において、反応領域Ｚｒを囲む反応管２の内壁にシリコン析出反応が起こる事例を概略的に図示している。反応領域Ｚｒ内の反応管２の壁が外部領域５に設置された補助加熱器８ｂで加熱される場合、シリコン析出物Ｄの形成速度が非常に速くなる。
【０１６５】
従って、補助加熱器８ｂが活用される場合、反応ガス１１が存在する反応領域Ｚｒを取り囲む反応管の壁が補助加熱器８ｂにより不必要に加熱されないように、補助加熱器８ｂの高さは、加熱領域Ｚｈの高さ、即ち反応ガスの出口の高さより低くすることが好ましい。
【０１６６】
加熱領域４に設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給する補助加熱器８ｂを外部領域５に設置する代りに、内部領域４に電磁放射エネルギーを供給して、シリコン粒子３を加熱することも可能である。
【０１６７】
反応管２の直径が大きい流動層反応器のためには、様々な電磁放射エネルギーの中でマイクロ波が最も効果的である。
【０１６８】
本発明によって、内部領域４を加熱するために、マイクロ波３７が内部加熱器８ａと共に活用される場合、マイクロ波３７の供給は多様な方法で実施され得る。
【０１６９】
例えば、電気エネルギーからマグネトロンのようなマイクロ波発生器３５により発生したマイクロ波３７を伝達する金属導波管３６は反応器シェル１に接続され得る。一方、シリコン粒子３を加熱するためのマイクロ波３７を内部領域４に供給するために、導波管を使用せずに、１つまたは複数個のマイクロ波発生器３５が、反応管シェル１と結合されて設置され得る。
【０１７０】
これによると、加熱領域Ｚｈの内部空間に設置される内部加熱器８ａに加えて、反応器の外部または反応器シェル１の内部で発生したマイクロ波３７を利用して内部領域４を加熱することが可能である。
【０１７１】
内部領域４のマイクロ波の加熱のために、マイクロ波３７は内部領域４の上部から反応領域Ｚｒに供給されるか、または反応管２のマイクロ波透過性壁を通して加熱領域Ｚｈに伝達され得る。
【０１７２】
そして、マイクロ波発生器３５または導波管３６は、制限なく、反応器シェル１のいずれの位置にも設けられ得る。
【０１７３】
図５に概略的に図示されているように、マイクロ波発生器３５ａにより発生したマイクロ波３７は、反応器シェル１と接続された導波管３６を通して反応器に伝達され、反応管２のマイクロ波透過性壁を通して加熱領域Ｚｈに供給され得る。一方、導波管３６を使用せずに、マイクロ波は、反応器シェル１と結合して外部領域５に設置されたマイクロ波発生器３５ｂにより反応器シェル１の内部に発生し、反応管２の壁を通して加熱領域Ｚｈ及び／または反応領域Ｚｒに供給されることもできる。
【０１７４】
外部領域５での補助加熱器８ｂの設置または活用の有無に関わらず、マイクロ波の加熱は、反応器加熱始動の間で、反応領域５に反応ガスを供給する前にシリコン粒子３層を加熱するか、またはシリコン析出物の除去工程の前または途中で、シリコン析出運転の間反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０１７５】
以下、本発明の目的を達成するため、粒状の多結晶シリコン形成のための流動層反応器について、添付図面を参照して詳しく説明する。
【０１７６】
本発明の流動層反応器では、反応器の内部空間は反応器シェル１により反応器の外部空間から遮断される。
【０１７７】
前記反応器シェル１は、反応器の内部空間に垂直に設置された反応器２を取り囲む。
【０１７８】
好ましくｋは、前記反応器シェル１は、炭素鋼とステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属または遷移金属元素を更に含む多様な合金から製造され、それにより、優れた機械的強度と良好な加工性を持つ。
【０１７９】
装置の製作、組立及び解体を考慮して、前記反応器シェル１は、図１〜図４の１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄなどに例示されるように、様々な要素からなる。
【０１８０】
前記反応器の内部が外部空間から完全に遮断され得るように、ガスケットまたは封止物質を利用して反応器シェル１の要素を組み立てることが重要である。
【０１８１】
前記反応器シェル１の各要素は、円筒形パイプ、フランジ、チューブ及びフィッティング部材、板、円錐、楕円またはジャケットを含む多様な形態を持つ。
【０１８２】
各金属要素には、その内部表面に保護膜、ライナー(ｌｉｎｅｒ)または保護壁が設置され得る。前記保護膜、ライナーまたは保護壁は、金属材質、または有機高分子、セラミック、石英などのような非金属材質で製造され得る。
【０１８３】
図１〜図４の１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄなどに例示されるように、反応器シェル１の要素の一部は、装置保護、熱膨張の防止、作業者の保護、事故防止などの目的のため、水、オイル、ガス、空気などのような冷却媒体を使用して、一定温度範囲以下に維持されることが好ましい。
【０１８４】
図面に図示されていないが、冷却が必要な反応器シェル１の要素は、その要素の内部もしくは外部を冷却媒体が循環することができるように設計され得る。このような冷却の代りに、作業者の保護及び過多な熱損失の防止のために、反応器シェル１の外部表面に、更に断熱材を設けることもできる。
【０１８５】
本発明に使用される反応管２は、反応管シェル１により固定され得るのであれば、どのような形態でも良い。
【０１８６】
反応器２は、図１〜図３に図示された単純な直管や、チューブ、円錐及び／または楕円部分を含む構造であり得る。図４に概略的に図示されるように、反応管の一先端部分がフランジの形態に加工され得る。更に、前記反応管２が複数の部分からなり、このうち一部は反応器シェル１の内壁にライナーの形態で形成されても良い。
【０１８７】
反応管２は、高温による変形に耐え得る無機材料で作られることが好ましい。材料は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択された単一成分材料または複数の材料で作られることができる。
【０１８８】
このような炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素などの炭素含有材料は、多結晶シリコン粒子を汚染する可能性があり、炭素含有材料が反応管に使用される場合は、シリコン粒子３，３ａ，３ｂが接触し得る反応管２の内壁を、ケイ素、二酸化ケイ素、石英、窒化ケイ素などのような材料で塗布または裏打ちすることで、反応管２の厚さ方向に複数の層が形成され得る。
【０１８９】
従って、本発明に使用される反応管２は、単一成分材質の形態の材料、即ち、単層またはその厚さ方向に各層が異なる材質である複数の層からなり得る。
【０１９０】
反応管２の内部領域４において、シリコン粒子層は、流動ガス１０を供給する流動ガス供給手段１４の上に形成される。
【０１９１】
シリコン粒子３は、球、楕円体、多面体、ビーズ、顆粒、チップ、断片などを含む多様な形態を持つ。
【０１９２】
シリコン粒子３を粉砕することで得られる種晶３ａは主に、角が鋭い半球、半楕円体、半多面体、チップまたは断片の形態である。しかし、シリコン析出が進められるにつれて、粒子サイズが増加し、鋭い角部分が滑らかになる。
【０１９３】
長いシリコン析出により粒子サイズが更に増大すると、粒子が最終的に球形に近くなる。
【０１９４】
シリコン析出に必要な反応ガス１１をシリコン粒子層の内部に供給する必要があるため、反応器シェル１に結合された反応ガス１１を供給するための反応ガス供給手段１５は、シリコン粒子層の内部まで延長される必要がある。
【０１９５】
１つまたは複数個の、同一の反応ガス供給ユニットを含む反応ガス供給手段１５は、反応器の外部に位置する反応ガス製造及び／または、貯蔵及び／または供給システムとも接続されなければならない。
【０１９６】
従って、本発明の反応ガス供給手段１５は、シリコン粒子層の内部に位置された部分に加えて、反応管２の外部及び／または反応器シェル１の内部空間と外部空間に位置する部分も更に含む。
【０１９７】
反応ガス供給手段１５において、シリコン粒子層の内部に位置された部分は、反応管２と垂直にまたは斜めに接続され得る。
【０１９８】
しかし、反応管２及び反応ガス供給手段１５の機械的安定性と、反応器の組立及び解体の容易性を考慮すると、反応ガス供給手段１５はシリコン粒子層の内部で垂直に設置されることが好ましい。
【０１９９】
反応ガス供給手段１５に設置された１ヶ所または複数の反応ガスの出口は、流動ガス供給手段１４に設置された１ヶ所または複数の流動ガスの出口より上に位置されている。
【０２００】
その結果、反応管２の内部領域４が、基準高さとしての、反応ガスの出口で、上部及び下部空間に区分される。内部領域４の上部空間および下部空間はそれぞれ反応領域Ｚｒおよび加熱領域Ｚｈと定義される。
【０２０１】
本発明の流動層反応器において、シリコン析出は、シリコン析出工程の間、反応ガス１１が存在する反応領域Ｚｒ内のシリコン粒子３の表面に起き、流動ガス１０とシリコン粒子３は、流動ガス１０が流れる加熱領域Ｚｈで加熱される。
【０２０２】
このように、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈは内部領域４の構造によりそれらの機能が異なり、反応管２の内部空間における高さに基づいて定義される。従って、２つの領域間を物理的に分離するための、反応ガス供給手段１５以外の機械的手段は必要ない。
【０２０３】
従って、加熱領域Ｚｈの下部で流動ガス供給手段１４により供給された流動ガス１０は、加熱領域を通過し、反応領域Ｚｒへ上向きに流れる。
【０２０４】
本発明においては、反応領域と加熱領域との間で互いに混合される粒子が持続的に、流動状態で維持されるように、流動ガス１０とシリコン粒子３が内部加熱器８ａの電気抵抗加熱により加熱される、反応管２、内部加熱器８ａ及び反応ガス供給手段１５との間に空間が形成される。従って、流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱する内部加熱器８ａは、反応ガス供給手段１５と反応管２の内壁面との間に、反応ガスの出口の高さより高くならないように設置される。その結果、内部加熱器８ａが反応ガス１１と直接接触できず、シリコンは、内部加熱器８ａの高温の表面に析出または堆積されない。
【０２０５】
流動層反応器を利用して多結晶シリコンを連続的にまたは半連続的に形成する際、反応管に供給されたガス及び析出反応で発生したガスが反応管２の内部に堆積され得ないように、排出する必要がある。
【０２０６】
同様に、過剰なシリコン粒子３が反応管２の内部に堆積され得ないように、シリコン析出によって、反応管２の内部に生成されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして反応器の外部に排出することが必要である。
【０２０７】
従って、反応領域Ｚｒを通過する流動ガス１０、未反応反応ガス１１及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出するガス排出手段１７と、シリコン析出によって反応管２の内部で製造されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出する粒子排出手段１６が必要である。
【０２０８】
前述した通り、本発明による流動層反応器は、反応管２；前記反応管２を取り囲む反応器シェル１と；前記反応管２の内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガス１０を供給するための流動ガス供給手段１４と；反応ガス供給手段１５の反応ガスの出口が流動ガス供給手段１４より高く位置され得るように、シリコン粒子層３内にシリコン析出に必要な反応ガス１１を供給するために、シリコン粒子層３の内部に垂直に設置される反応ガス供給手段１５と；反応ガス供給手段と反応管２の内壁面との間の空間に設置された内部加熱器８ａと；前記反応ガスの出口が基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管２の上部空間及び下部空間に相当する反応領域Ｚｒおよび加熱領域Ｚｈと；反応管２、内部加熱器８ａ及び反応ガス供給手段１５との間に形成され、その中で、前記反応領域Ｚｒと前記加熱領域Ｚｈとの間の粒子の混合が連続的に、流動状態に維持されるように、流動ガス１０とシリコン粒子３が内部加熱器８ａの電気抵抗加熱により加熱される空間と；反応領域Ｚｒを通過する流動ガス、未反応反応ガス及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出するためのガス排出手段１７；及びシリコン析出により前記反応管２に形成されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出するための粒子排出手段１６を含む。
【０２０９】
前述した通り、流動ガス１０が充填層を通過する間に加熱され得るように、前記加熱領域Ｚｈの空間の一部または全体に流動ガス１０の流れにより流動されない充填材料２２で充填層が形成され得る。
【０２１０】
充填物２２を流動層反応器に活用しようとする場合、反応管２の内壁、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５及び内部加熱器８ａにより取り囲まれた空間の全体または一部に充填層を形成することが必要である。
【０２１１】
好ましくは、本発明に使用される充填材料２２の平均直径Ｄｆは、５〜５０ｍｍの範囲内のである。
【０２１２】
Ｄｆ値が５ｍｍより小さい場合、必要とする充填材料２２の個数が非常に多く、充填材料２２との間の空間が非常に小さくなり、シリコン粒子３と流動ガス１０の流れを難しくする。
【０２１３】
反面、Ｄｆ値が５０ｍｍより大きい場合、必要とする充填材料２２の個数が非常に少なく、内部加熱器８ａを設置するための加熱領域Ｚｈの空間が不十分となり、流動ガス１０の分散などのような充填物２２の活用効果が大きく毀損される。
【０２１４】
充填物２２は、球、ビーズ、ボール、顆粒、断片、塊、楕円体、多面体、小石（ｐｅｂｂｌｅ）、パレット、リングまたは小塊などの中から選択されたいずれかの形態であり得る。
【０２１５】
好ましくはシリコン粒子３と流動ガス１０を充填物２２により汚染されることを防止するために、充填物２２は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物の中から選択される１種または複数の成分から製造される。
【０２１６】
最も好ましくは充填材料２２は、球形態に加工された高純度シリコンである。
【０２１７】
炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素などの炭素含有成分を含む充填材料２２の場合、シリコン粒子３及び流動ガス１０が炭素不純物により汚染され得る。従って、充填材料２２が炭素含有材料を含む場合は、表面は、ケイ素、二酸化ケイ素、石英、窒化ケイ素などのような材料で塗布または裏打ちされ、充填材料２２の厚さ方向に、各層が異なる材料からなる複数の層を形成する。
【０２１８】
従って、本発明で使用される充填材料２２は、単一成分材料またはその厚さ方向に各層が異なる材料からなる複数の層からなり得る。
【０２１９】
充填物２２が多孔性構造である場合、衝撃に弱くなり、容易に磨耗して不純物微粒子を生成する。従って、充填物２２は、少なくとも物質の表面における気孔を最小化し、高密度であることが好ましい。
【０２２０】
本発明で使用される充填材料２２の材質、構造、表面処理及び製造方法は、物理的性質と機械的強度の検査だけでなく、小規模実験装置を利用した不純物汚染と最適条件の実験的検証を通して決定されることが好ましい。
【０２２１】
本発明の反応器加熱方法を利用すると、必要な熱量は、反応領域Ｚｒに容易に供給され得る。従って、流動層反応器の生産性は、高圧下で単位時間当りの反応ガス１１の供給速度（ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）を高めることで、著しく向上され得る。
【０２２２】
高圧下でシリコン析出を行うためには、加熱方法の改善に加えて、流動層反応器の機械的安定性、特に流動層で高温のシリコン粒子に持続的に露出される反応管２の機械的安定性を確保する必要がある。
【０２２３】
本発明において、高圧下でのシリコン析出を可能にする一つの方法として、流動層反応器は、図２、図３及び図４に概略的に図示しているように、反応管２が反応器シェル１により取り囲まれるように、反応器シェル１の内部に垂直に設置されるように構成される。その結果、反応管２の内部空間は、シリコン粒子３層が存在し、加熱領域Ｚｈと反応領域Ｚｒの両方が含まれる内部領域４と定義される。更に、反応管２と反応器シェル１との間の空間は、シリコン層が存在せず、分解が起きない外部領域５と定義される。
【０２２４】
反応器シェル１の内部空間が反応管２により区分される理由は、反応管２の両側の圧力差が小さい場合、反応管２の機械的安定性が高圧下においてさえ確保され得るからである。
【０２２５】
加熱領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａは１つまたは複数個の加熱器ユニットを含む。
【０２２６】
反応器の生産性を向上するために要求される加熱領域Ｚｈでの熱負荷が、加熱領域Ｚｈの内部空間に設置される加熱器ユニットの個数、即ち内部加熱器８ａの表面を増加させるため、設置空間的に許容されさえすれば、加熱領域Ｚｈに設置される加熱器ユニットの個数に特別な制約はない。
【０２２７】
内部加熱器８ａが複数個の加熱器ユニットを含む場合、この加熱器ユニットは電気的に互いに独立させることも可能である。しかしながら、それらを電気的に直列及び／または並列に接続するほうがより効率的かつ経済的である。
【０２２８】
図１及び図２は、内部加熱器８ａが２つの加熱器ユニットを含み、加熱器ユニットが電力供給源Ｅと独立的に接続される場合と、電力供給源Ｅと直列に相互接続される場合を各々例示している。加熱領域Ｚｈが大きくなるほど、熱負荷を増加するための加熱器ユニットがより多く設置され得る。
【０２２９】
前記加熱器ユニットは、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続手段９，９ａ，９'を通して電力供給源Ｅと電気的に接続され、電気抵抗加熱によって反応器を加熱することができる。
【０２３０】
流動層反応器の外部に設置された電力供給源Ｅは、１つまたは複数の電力変換装置、配電箱、測定及び制御手段などから選択され得る。内部加熱器８ａに供給される電流は、ＤＣまたはＡＣのいずれかであり得る。通常、電流は数百〜千アンペアの範囲である。
【０２３１】
好ましくは、電力供給源から内部加熱器８ａに供給される電力は、反応領域Ｚｒ及び／または加熱領域Ｚｈの温度が所定の範囲内に維持されるように制御される。
【０２３２】
内部加熱器８ａと電力供給源Ｅの電気接続を提供するために、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続手段９，９ａ，９'は、各加熱器ユニット別に設置されることもできる。一方、いくつかのまたは全部の加熱器ユニットと接続されるように設置されることもできる。
【０２３３】
本発明において、電気抵抗加熱が行われる間、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続手段９，９ａ，９'は、高温まで加熱されないことが好ましい。
【０２３４】
従って、電気接続手段９，９ａ，９'は、自発的な抵抗加熱を減少、または所定の温度以下に冷却させることができる電極部を含むことが望ましい。前記電極部は加熱器ユニットと電気的に接続されることができさえすれば、反応器シェル１の内部及び／または外部のいずれの位置に設置されても構わない。
【０２３５】
加熱器ユニットに電気を供給することにより抵抗加熱を実施するために、加熱器ユニットは１対の電極部と接続されなければならない。複数個の加熱器ユニットは、対応する電極部を通して電気的に相互接続され得る。
【０２３６】
従って、本発明の電気接続手段９，９ａ，９'は、反応器シェル１の内部及び／または外部に設置される電極部を含み、加熱器ユニットは、前記電極部により電気的に直列及び／または並列に相互接続され得る。
【０２３７】
電気接続手段９，９ａ，９'は、以下の構成要素を一部または全部含み得る。（i）電気抵抗が低く発熱が少ない金属導体で製作された電極；（ii）ケーブル、バー、チューブ、シャフト、導管、成形物などの電力伝達手段と電極を接続する接続手段；（iii）個別加熱器ユニットを物理的に支持し、電極部を支持する一方で、電極部と電力伝達手段を電気的に接続する炭素系材質の支持体またはチャック；（iv）電極部または前記支持体をガス、水、オイルなどの冷媒で冷却するための冷却手段；（v）反応器シェル１を含む金属材質との電気絶縁のための絶縁手段；及び（vi）前述した構成要素の接続、封止、絶縁または組立のための部品、フィッティング部材など
【０２３８】
頻繁に、内部加熱器８ａを構成する抵抗体３８自体が電極として使用される。一方、別の材料または大きさが抵抗加熱を減少させるために選択され得る。
【０２３９】
電極部の形態及び大きさは、加熱領域Ｚｈの直径及び許容空間、加熱器ユニットの個数と空間的配置、電極部や電力伝達手段に許容される空間、内部抵抗加熱を減少するのに必要な断面積などを考慮して決定されなければならない。
【０２４０】
電極部は、反応器シェル１の側面及び／または下部に設置され得る。構造を考慮すると、内部加熱器８ａの電極部はシェル１下部の内部または外部に設置されることが好ましい。
【０２４１】
本発明においては、電極部は電力供給源と加熱器ユニットとの間を電気的に接続する。各加熱器ユニットに対して、１対の電極部が加熱器ユニットの入力端子と出力端子となる。電極部の相互接続または電気回路的構成は、加熱器ユニットの空間的配置と電力供給源Ｅの定められた仕様により予め定められる。
【０２４２】
電極部は互いに分離して設置され、電力伝達手段に別途に接続されることもできる。一方、電力伝達手段または電極接続手段は、複数の電極部を電気的に接続するために設置され得る。
【０２４３】
図２及び図５は、反応器シェル１の内部に設置された電極接続手段９’が２つの加熱器ユニットを電気的に接続する場合を例示している。前述した通り、電極接続手段９’は反応器シェル１の外部空間に、またはシェル１と結合するように設置され得る。
【０２４４】
この電極接続手段は、激しい抵抗加熱を防止する抵抗体３８と同一材料で製作され得る。また、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素を含む金属または合金で製作されるか、または黒鉛で製作した後、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの機能性セラミック層を塗布することもできる。ここで、電極部及び／または電極接続手段の、反応器シェル１の金属材質からの絶縁を防止することが必要である。
【０２４５】
電極部の一部は、高温の加熱領域Ｚｈの下部に露出され、電気絶縁または封止材の保護が必要であるため、金属材質の電極、絶縁部品またはこれと結合される反応器シェル１の全体または一部が冷媒を循環させることで冷却されることが好ましい。
【０２４６】
電極部は、電極接続手段と同様に、激しい抵抗加熱を防止し得る仕様に応じて抵抗体３８と同一材料で製作され得る。あるいは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素を含む金属または合金で製作され得る。また、表面が炭化ケイ素で処理された黒鉛で製作し、電気絶縁及び／または不純物汚染の防止のために塗布されるか裏打ちされ得る。
【０２４７】
流動層反応器は、加熱領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａだけで加熱され得る。しかしながら、前記内部加熱器８ａに加えて補助加熱器８ｂが、内部領域４に熱を供給するために外部領域５に更に設置され得る。
【０２４８】
内部加熱器８ａと同様に、補助加熱器８ｂも１つまたは複数個の加熱器ユニットからなり、反応器の加熱は、反応器シェル１と結合された電力供給源Ｅと接続された電気接続手段９，９’，９ａを利用して電気抵抗加熱により行われ得る。
【０２４９】
この場合、補助加熱器８ｂの加熱器ユニットは、内部加熱器８ａの加熱器ユニットから電気的に独立しているか、電気的に直列及び／または並列に相互接続され得る。図３及び図４に図示されているように、これらは、電気接続手段９，９’，９ａ及び／または電力供給源Ｅを共有することができ、また、互いに独立することもできる。
【０２５０】
前述したとおり、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ'の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ'は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応器開始操作中、反応領域５に反応ガス１１を供給する前に、シリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転のあいだ反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０２５１】
補助加熱器８ｂが反応器の加熱開始段階でシリコン粒子３層を加熱するために使用される場合、図３に図示されるように、補助加熱器８ｂの高さには特別な制限がない。
【０２５２】
しかし、反応領域５に反応ガス１１が供給されるシリコン析出の間、内部加熱器８ａの熱負荷を超過しない熱付加を有する補助加熱器８ｂが使用される場合、反応管２の内壁にシリコン析出物Ｄの堆積の速度が増加することができないように、図４に図示されるように、補助加熱器８ｂの高さを限定することが好ましい。より安全なのは、補助加熱器８ｂが加熱領域４の高さ以下に設置されることである。
【０２５３】
図３及び図４に図示されるように、シリコン析出物Ｄの形成が過剰となる位置に設置される補助加熱器８ｂ，８ｂ’は、シリコン析出工程では使用せず、反応器の加熱開始段階でシリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン堆積物の除去段階の前にまたは途中でシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するときに限定して使用されることが好ましい。
【０２５４】
前述した通り、加熱領域４に設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給するために、補助加熱器８ｂが外部領域５に設置され得る。しかし、このような補助加熱の代りに、シリコン粒子３を加熱するために、内部領域４に電磁放射エネルギーが供給され得る。
【０２５５】
反応管２の直径が大きい流動層反応器のためには、様々な電磁放射エネルギーの中でマイクロ波が最も効果的である。
【０２５６】
本発明において、マイクロ波発生器３５を利用して電気エネルギーから発生したマイクロ波３７を伝達する導波管３６、またはマイクロ波発生器３５が、前記内部領域４にマイクロ波３７を供給して前記シリコン粒子３を加熱するために、反応器シェル１と結合して設置され得る。
【０２５７】
マグネトロンのようなマイクロ波発生器が反応器シェル１と結合して設置され（図５の図面符号３５ｂ参照）、電力が電力供給源Ｅから供給されると、マイクロ波３７はシェル１の内部に直接放射され、導波管３６は必要とされない。しかし、各発生器の容量が限られており、機械的安定性が良くないため、多数の発生器が必要であるという問題がある。マイクロ波発生器３５が導波管３５により反応器シェル１と結合されて反応器の外部に設置される場合、必要な容量が高い信頼性で得られるが、費用が非常に高くなる。
【０２５８】
マイクロ波３７は、内部領域４の上部、即ち、ガス排出手段１７などが設置される反応器シェルの覆い部分（図２の１ｂまたは図３及び図４の１ｄ）から反応領域Ｚｒの下部に供給され得る。反応管２がマイクロ波を透過する石英、窒化ケイ素などで製作される場合、マイクロ波３７は反応管２のマイクロ波透過壁を通して加熱領域Ｚｈに供給され得る。
【０２５９】
マイクロ波の加熱は、外部領域５における補助加熱器８ｂの設置または利用の可否に関わらず、反応器の加熱開始段階におけるシリコン粒子３の加熱、または、析出操作の間に、反応管２の内壁面に堆積したシリコン析出物Ｄを、シリコン析出物の除去工程の前にまたは途中で選択的に加熱するのに活用され得る。
【０２６０】
本発明において、シリコン粒子３層の内部にそれぞれ流動ガス１０及び反応ガス１１を供給するための流動ガス供給手段１４及び反応ガス供給手段１５は、チューブ、ノズル、平板、ディスクまたは円錐形板、チャンバー、フランジ、フィッティング部材、ライナー、成形品、ガスケットなどの中から選択された構成要素を含み得る。
【０２６１】
本発明で使用される流動ガス１０は、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒへの熱の供給において重要な役割を果たす。
【０２６２】
加熱領域Ｚｈの下部に設置される流動ガス供給手段１４は、平板、ディスクまたは円錐形板の形態のガス分散板、または加熱領域Ｚｈの下部で流動ガス１０を十分に均一に分散するための複数の穴を有するガス分散アッセンブリを含み得、および／または形態または構造に制限がない複数の流動ガス供給ノズルを含む。
【０２６３】
本発明による、流動ガス供給手段１４の流動ガスの出口よりも高い、反応ガス供給手段１５の反応ガスの出口の配置は、加熱領域Ｚｈによる反応管の加熱に加えて、加熱領域Ｚｈに露出される流動ガス供給手段１４の表面にシリコンが析出される問題を防止するという利点を有する。
【０２６４】
シリコン析出反応に必要な流動ガス１０は、流動ガス供給手段１４の構成によって多様な形態で供給され得る。
【０２６５】
図１は、ガス分散板を使用することなく、複数のノズル型ガス分散手段１９により、流動ガスが加熱領域Ｚｈの内部に供給される流動ガス供給手段１４の構成を例示している。流動ガス１０の流れが反応管２の断面直径に実質的に均等に分散され得るように、複数ノズル型流動ガス分散手段１９が配置されることが好ましい。
【０２６６】
図２及び図３は、流動ガスチャンバー１９’に供給される流動ガス１０が、円板型ガス分散手段１９を通して均等に分散されながら加熱領域Ｚｈに提供される流動ガス供給手段１４の構成を例示している。
【０２６７】
前記流動ガスチャンバー１９’は、反応器シェル１と結合され、必要な場合、流動ガス１０を予熱するために、流動ガスチャンバー１９’の内部が加熱され得るように構成され得る。
【０２６８】
図２及び図４に図示されるように、加熱領域Ｚｈに充填材料２２の固定層を形成し、この充填物間に形成された空間を通して流動ガス１０を流動させることも可能であり、それにより、更なるガス分散効果が得られる。
【０２６９】
流動ガス１０の上昇する流れにより流動されない充填物２２の固定層が、本発明により流動ガス供給手段１４の上に形成される場合、この固定層は反応ガス供給手段１５の反応ガスの出口より低い位置に、即ち、加熱領域Ｚｈの全体または下部の一部に形成されることが好ましい。
【０２７０】
シリコン析出に必要な反応ガス１５を反応領域Ｚｒの内部に供給する反応ガス供給手段１５は、様々な形態で構成され得る。図２に例示されるように、単一反応ガスノズルまたは複数の反応ガスノズルを含み得る。あるいは、反応ガス１１を供給するための各反応ガスノズルが、加熱領域Ｚｈの内部で１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成され得る。
【０２７１】
本発明による粒子排出手段１６が反応器シェル１の下部で流動ガス供給手段１４と結合される場合、粒子排出手段１６は反応ガス供給手段１５に沿って同軸多重管の形態に設置されて組み立てられる。そのほかに、粒子排出手段１６は反応ガス供給手段とは別途に独立的に形成して構成され得る。
【０２７２】
加熱領域Ｚｈの体積によって、１つまたは複数の同軸多重管があり得る。流動ガス供給手段と粒子排出手段と関連して、反応ガス供給手段１５の構造例が下記に表されている。
【０２７３】
図２は、加熱領域Ｚｈにおける同軸多重管形態として反応ガス供給手段１５を構成する一例として、１セットの多重管を図示している。図に例示するように、チューブ型反応ガスノズルと保護用チューブ型保護ノズルは二重管の形態に形成され、二重管の下部が粒子排出手段１６と可能な限り同軸となるように組み立てられ得る。
【０２７４】
反応ガス供給手段１５は、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２が反応ガスノズルと保護ノズルとの間の環状空間を通して導入されるように構成されることが好ましい。これは、反応ガスノズルの内壁面が、シリコン析出が可能な温度まで加熱されることを防止し、これにより、反応管ノズルの内壁面における明らかなシリコン析出と堆積が防止される。
【０２７５】
更に、反応ガスノズルの出口においてシリコンが析出され、堆積されることを防止し、または既に形成されたシリコン析出物を除去するために、反応ガス供給手段１５は、前記不活性ガス１２に連続的に、断続的に、または周期的に塩化水素を追加することができる手段を含み得る。
【０２７６】
反応ガスノズルを取り囲むために設置する保護ノズルが１つのみでは、シリコン析出が開始される初期分解温度以下に反応ガスノズルの内壁面の温度を維持することが難しい場合、２つ以上の保護ノズルが同軸多重管の形態で設置され得る。
【０２７７】
本発明による粒子排出手段１６はどのようにも構成され得るが、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２が、粒子排出手段１６の内部にシリコン製品粒子３ｂの流れの反対方向に導入され得るように構成されることが好ましい。このガスは粒子排出手段１６を通過した後、加熱領域Ｚｈの内部に導入され得る。
【０２７８】
あるいは、図３に概略的に図示されるように、反応ガスノズルは、流動ガス１０を、ガス分散手段１９により均等に分散させた後、加熱領域Ｚｈに備え付けられた流動ガスチャンバー１４’に供給する流動ガス供給手段１４の中央に垂直に設置され得、このノズルの下部は、製品粒子３ｂが中央において、加熱領域Ｚｈから下方向に移動し得るように、粒子排出手段１６と同軸二重管の形態で形成される。
【０２７９】
更に、図４に概略的に図示されるように、反応ガスノズルと保護ノズルは加熱領域Ｚｈにおいて同軸二重管を形成し、その下部分は、ガス分散手段１９を含む組立型流動ガス供給手段１４に沿って同軸多重管を形成する。
【０２８０】
粒子排出手段１６は、反応ガス供給手段１５とは別途に、流動ガス供給手段１４に含まれるガス分散手段１９と結合されるように設置され得る。
【０２８１】
本発明による流動層反応器に設置された粒子排出手段１６は、連続的または半連続的に形成された多結晶シリコン製品粒子３ｂまたはシリコン析出工程で形成されたその他のシリコン粒子の一部を反応器の内部領域４から排出するのに使用される。
【０２８２】
粒子排出手段１６は、内部領域４からシリコン粒子３ｂを連続的に、周期的にまたは断続的に適切な時に排出されるようにすることができる。
【０２８３】
更に、図３に図示されるように、シリコン粒子３ｂが流動ガスチャンバー１４’に残っている間に冷却され、それから反応器の外部に排出されるように、付加的な空間が反応管シェル１に具備され得る。
【０２８４】
本発明によると、内部領域４から排出されたシリコン粒子３の一部、即ち、シリコン製品粒子３ｂは、反応器と直接接続された多結晶シリコン製品の貯蔵手段または移送手段に移送され得る。
【０２８５】
流動層反応器を使用して形成されたシリコン製品粒子３ｂは、必然的に粒子サイズの分布を持つため、ここに含まれたサイズが小さい粒子は種晶３ａとして活用され得る。
【０２８６】
従って、内部領域４から排出されるシリコン製品粒子３ｂをサイズによって分級する分級手段に移送し、大きい粒子を多結晶シリコン製品の貯蔵手段または移送手段に移送し、小さい粒子を種晶３ａとして活用することが可能である。
【０２８７】
前記反応器の内部領域４、即ち、シリコン粒子層の高い温度を考慮するならば、シリコン製品粒子３ｂが粒子排出手段１６を通過する間、冷却されることが好ましい。従って、高温の粒子を冷却するために、水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどのようなガスが粒子排出手段１６内に導入されるか、水、オイル、ガスなどの冷媒が、粒子排出手段１６の壁に沿って循環される。
【０２８８】
この他にも、図式化されていないが、粒子排出手段１６は、シリコン製品粒子３ｂが流動層反応器の外部に排出される前、流動層反応器に残っている間に冷却され得るように、例えば、図３の流動ガスチャンバー１４’または反応器シェルの下部（図３の１ｂ）と結合することで、十分な空間を有する構成され得る。
【０２８９】
シリコン製品粒子３ｂが前記粒子排出手段１６を通して反応器の外部に排出される間、シリコン製品粒子３ｂの不純物による汚染を防止することが必要である。従って、高温のシリコン製品粒子３ｂと接触する粒子排出手段１６の構成要素において、無機材質からなるチューブ、ライナーまたは成形品を使用することが好ましい。
【０２９０】
このような粒子排出手段１６の構成要素は、金属材質からなる反応器シェル１及び／またはライナーなどと結合されて固定されることが必要である。いくらか冷却された製品粒子と接触し、またはそれらの壁が冷却され得る粒子排出手段１６の構成要素の内壁は、無機材質の代りに、添加剤や充填剤を含んでいない高分子材料で塗布または裏打ちされた金属材質からなるチューブ、ライナーまたは成形品を具備され得る。
【０２９１】
前述した通り、シリコン製品粒子３ｂは、反応器の内部領域４から粒子排出手段１６を通して多結晶シリコン製品の貯蔵手段または移送手段により、連続的に、周期的にまたは断続的に排出され得る。
【０２９２】
また、反応器と製品貯蔵手段との間に選別手段を設置して、シリコン製品粒子３ｂをサイズによって分類し、小さい粒子を種晶３ａとして活用することも可能である。
【０２９３】
産業的に活用される様々な粒子分級装置は、本発明において分級手段として使用され得る。好ましくは、シリコン製品粒子３ｂと接触する分級手段の構成要素は、粒子分級段階において不純物により汚染されることを防止するために、粒子排出手段１６に使用される材質または添加剤や充填剤を含まない高分子材料で製造される。
【０２９４】
図２〜図４は、一つの同軸多重管セットが垂直に設置されるもっともシンプルな場合を概略的に例示しているが、このような構成は、複数の同軸多重管が加熱領域Ｚｈの内部空間に設置され、複数個の反応ガス管からなる反応ガス供給手段１５を構成しようとする際にも活用され得る。
【０２９５】
前述した流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５及び／または粒子排出手段１６の構成要素は、反応器シェル１に使用され得る金属に加えて、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素及びガラス状炭素の中から選択された１つまたは複数の材質で製作され得る。
【０２９６】
特に、シリコン粒子３及び／または製品粒子３ｂと接触する構成要素は、シリコン粒子３の不純物汚染を防止するために、ケイ素、窒化ケイ素、または石英などからなる単一層、または厚さ方向への複数層からなり得る。
【０２９７】
前述した通り、本発明によって反応管シェル１の内部空間が、反応管２を基準として内部領域４と外部領域５に各々定義される場合、反応管２の両側の圧力差を、操作によって低減させ、反応管２の安定性を毀損することなく反応圧力を十分に増大させることが可能である。
【０２９８】
この目的を達成するためには、流動層反応器が（i）外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するための不活性ガス接続手段２６；（ii）内部領域の圧力Ｐｉ及び／または外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御するための圧力制御手段；及び（iii）圧力差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持するための圧力差制御手段を含むことが要求される。
【０２９９】
流動層反応器の内部領域４に、シリコン粒子４ａ層が形成され、流動ガス１０と反応ガス１１がそれぞれ、流動ガスの出口及び反応ガスの出口を通してシリコン粒子４ａ層に供給され、結果的にシリコン析出が生じる。流動層反応器の内部領域４は、流動ガス１０、未反応反応ガス１１及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３が流れる空間を有する。
【０３００】
従って、前記内部領域４は、シリコン粒子３の流動層でシリコンが析出されることによる、多結晶シリコン粒子の形成において基本的な役割を果たす。
【０３０１】
反面、外部領域５においてはシリコン粒子３層は形成されず、反応ガス１１が流れない。従って、反応管２の外壁面と反応器シェル１との間に形成される外部領域５においては、シリコン析出反応は起きない。
【０３０２】
外部領域５は下記のような重要な役割を果たす。
【０３０３】
第１に、外部領域５は、内部領域４と外部領域５との間の圧力差を制限された範囲内に維持することで反応管２を保護するための空間を提供する。
【０３０４】
第２に、外部領域５は、反応器からの熱損失を防止または低減する断熱材６のための空間を提供する。
【０３０５】
第３に、外部領域５は、内部領域４に設置される内部加熱器８ａに加えて、反応管２の周囲に沿って設置される補助加熱器８ｂのための空間を提供する。
【０３０６】
第４に、外部領域５は、反応管２の外部を不活性ガス雰囲気に維持することにより、内部領域４の内部での爆発または腐食を誘発し得る有機または無機の気相または固相不純物を防止し、反応管２を反応器シェル１の内部に安全に設置および維持する空間を提供する。
【０３０７】
第５に、外部領域５は、外部領域接続手段２８によって内部領域４に特定されるガスの成分、濃度、温度、圧力、粒子成分などの測定を可能とし、従って、反応管２の異常発生をリアルタイムで監視することが可能である。
【０３０８】
第６に、外部領域５は、図４に図示されているように、反応管２の内壁面に堆積され、シリコン析出物の除去工程による化学的な除去を要するシリコン析出物を加熱するための加熱器８ｂ’の空間を提供する。
【０３０９】
第７に、外部領域５は、反応管２と内部領域４を容易に組み立て、解体させることができる。
【０３１０】
本発明による外部領域５は様々な機能を有するため、外部領域の空間は、チューブ、板、成形物、フィッティング部材などの少なくとも１種の分割要素を利用して、上下及び／または円周方向に分割され得る。
【０３１１】
しかしながら、前記外部領域５が分割される場合、分割された空間が同一のガス雰囲気と圧力を確実にするため相互接続されることが好ましい。
【０３１２】
外部領域５には、反応管２の外部に断熱材が設置され得る。断熱材６としては、シリンダー、ブロック、織物、毛布、フェルト、発泡体、充填層などの形態で、放射と伝導による熱伝達を抑制する目的で、無機材質の断熱材が産業的に使用され得る。
【０３１３】
本発明では、内部領域４で起こるシリコン析出反応に関わらず、外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するために、反応器シェル１に不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂが設置される。
【０３１４】
不活性ガス１２は、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された少なくとも１種であり得る。
【０３１５】
反応器シェル１に設置されて外部領域５と空間的に接続される不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂは、不活性ガス１２の供給や排出を可能とし、チューブ、ノズル、フランジ、バルブ、フィッティング部材などの中から選択された１つまたは複数の構成要素を備え得る。
【０３１６】
不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂに加えて、直接的または間接的な温度、圧力、ガス成分の測定及び制御のために、外部領域５に空間的に露出される外部領域接続手段２８を、反応器シェル１に設置することも可能である。
【０３１７】
１つの不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂによって、外部領域５は、十分不活性ガス雰囲気下に維持され得る。また、２つ以上の不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂが、不活性ガスの供給と排出を独立的に実施するのに使用され得る。
【０３１８】
不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂは、外部領域５での独立的な不活性ガス雰囲気の維持だけでなく、外部領域接続手段２８を活用して実施し得る流量、温度、圧力及びガス成分の測定及び制御にも活用され得る。
【０３１９】
図３及び図４は、外部領域の圧力Ｐｏが、前記不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂ及び／または外部領域接続手段２８を利用して測定及び／または制御される多様な場合を例示している。
【０３２０】
不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂと別途に設置され得る外部領域接続手段２８は、外部領域５の状態を測定及び制御するために設置される。
【０３２１】
また、外部領域接続手段２８は、チューブ、ノズル、フランジ、バルブ、フィッティング部材などの中から選択される１または複数の構成要素を具備し得る。
【０３２２】
不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂが設置されていない場合、外部領域接続手段２８が温度、圧力、ガス成分の測定及び制御だけでなく、不活性ガス１２の供給及び排出にも活用され得る。
【０３２３】
それ故、不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂと外部領域接続手段２８は、型や機能の面で必ずしも区分される必要はない。
【０３２４】
位置と時間によって圧力がほぼ一定に維持され得る外部領域５とは異なり、内部領域にシリコン粒子３層が存在するため、内部領域４では必然的に圧力差が発生する。即ち、内部領域の圧力Ｐｉは内部領域４の位置によって異なる。
【０３２５】
固体粒子流動層による圧力降下は、流動層の高さにより左右されるが、流動層の高さが過剰に高くない限り、圧力降下値は通常約０．５バール以下である。更に、固体粒子流動層の基本特性により、圧力は時間によって不規則に変化する。従って、内部領域の圧力Ｐｉは位置と時間によって変化し得る。
【０３２６】
このような特性を考慮して、内部領域の圧力Ｐｉを測定または制御するための内部圧力制御手段は、直接的または間接的に適当な位置に設置され、内部領域４と空間的に接続される。
【０３２７】
本発明による内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、反応器の特性と制御しようとする操作変数を考慮して、多様な位置に設置され得る。
【０３２８】
内部圧力制御手段は、内部領域４に空間的に直接または間接的に露出される内部領域接続手段２４，２５、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６またはガス排出手段１７を通して内部領域４と空間的に接続されるように設置され得る。
【０３２９】
外部圧力制御手段は、外部領域５に空間的に直接または間接的に露出された、反応器シェル１に設置された外部領域接続手段２８または不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂを通して外部領域５と空間的に接続されるように設置される。
【０３３０】
本発明の好ましい実施形態において、内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、圧力を直接的または間接的に測定及び／または制御するのに必要な構成要素を含む。
【０３３１】
内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、空間的接続用の接続管またはフィッティング部材；手動式、半自動式または自動式バルブ；デジタルまたはアナログ方式の圧力計または差圧計；圧力指示器または記録器；信号変換器または演算処理装置などから選択された少なくとも１種の構成要素を含み得る。
【０３３２】
内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、機械的にまたは信号回路的に相互接続され得る。また、それらは、中央制御システム、分散制御システム及び局部的制御システムのような制御手段の一部または全てと接続され得る。
【０３３３】
内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、圧力に関して独立的に構成され得るが、圧力だけでなく、流量、温度、ガス成分、粒子濃度などの測定及び／または制御に必要な手段と一部または全てにおいて接続され得る。
【０３３４】
更に、前記内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段の構成要素が固体粒子などの不純物に汚染されることを防止、または圧力変化を減少させるために、制御手段は粒子分離用フィルター、気体浄化装置などのような分離手段や圧力緩衝用容器を具備し得る。
【０３３５】
前記内部圧力制御手段は、内部領域４に空間的に直接または間接的に露出される反応器シェル１の一部、例えば、圧力、温度またはガス成分の測定及び／または観察のために設置された内部領域接続手段２４，２５に設置され得る。
【０３３６】
内部圧力制御手段が内部領域接続手段２４，２５と接続されるように設置されると、シリコン粒子の流動層に起因する時間による圧力変化の確認は難しいにもかかわらず、内部領域４ｃの上部空間の圧力は安定的に測定及び制御され得る。
【０３３７】
流動層に起因する時間による圧力変化を確認するために、内部領域接続手段は、シリコン粒子層と空間的に接続されるように設置され得る。
【０３３８】
また、内部圧力制御手段は、反応器シェルと接続されるように内部領域４と空間的に接続され得る位置、例えば、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６またはガス排出手段１７と接続される位置に設置され得る。
【０３３９】
更に、内部圧力制御手段は、内部領域接続手段２４，２５及び内部領域４と空間的に接続され得る２ヶ所以上の位置に設置され得る。
【０３４０】
内部圧力制御手段が設置される位置によって、シリコン粒子の存在により測定されるＰｉ値は異なる。本発明の発明者により遂行された実験によると、Ｐｉ値には、流動層の流動特性と流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６またはガス排出手段１７の構造によるが、異なる位置において、１バール以内の変化が生じる。
【０３４１】
本発明による好ましい実施形態において、外部圧力制御手段は、外部領域の圧力Ｐｏを直接または間接的に測定及び／または制御するのに適したいくつかの中から選択した場所に位置し、外部領域５と空間的に接続されるように設置される。
【０３４２】
外部圧力制御手段が設置され得る位置の例としては、外部領域５に空間的に直接または間接的に露出される反応器シェル１に設置される外部領域接続手段２８または不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂが含まれる。
【０３４３】
本発明において、外部領域５が不活性ガス雰囲気に維持されることが好ましい。従って、外部領域５に不活性ガス１２を供給するための不活性ガス接続手段２６ａと、外部領域５から不活性ガス１２を排出するための不活性ガス接続手段２６ｂを、外部領域接続手段２８として利用することが可能である。
【０３４４】
従って、外部領域の圧力Ｐｏを直接または間接的に測定及び／または制御するための外部圧力制御手段を不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂまたは外部領域接続手段２８を通して外部領域５と空間的に接続することも可能である。
【０３４５】
本発明において、内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、内部領域の圧力Ｐｉと外部領域の圧力Ｐｏの差、即ち、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールの範囲内に維持するのに利用され得る。
【０３４６】
しかし、内部圧力制御手段を構成する際は、内部領域４における様々な位置によってＰｉ値が変化することに留意しなければならない。
【０３４７】
流動層の内部または下部と空間的に接続される位置に設置される、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６などの内部領域接続手段で測定されるＰｉ値は、シリコン粒子の流動層と直接接触しない、ガス排出手段１７、シリコン種晶供給手段１８などの内部領域接続手段で測定されるＰｉ値より大きい。
【０３４８】
特に、シリコン粒子流動層の下部と空間的に接続される内部領域接続手段、流動ガス供給手段１４または粒子排出手段１６で定められた圧力は、最大内部圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）となり得、流動層と接触しないガス排出手段１７または内部領域接続手段２４，２５で定められた圧力は、最小内部圧力値Ｐｉ（ｍｉｎ）となり得る。
【０３４９】
これは、シリコン粒子３層では高さによる圧力差が必然的に発生し、層の下部におけるＰｉ値はシリコン粒子層の上部におけるＰｉ値より常に高いためである。
【０３５０】
この圧力差は、シリコン粒子層の高さによって増加する。シリコン粒子層において１バール以上の圧力差を得るためには、反応器の高さは極端に増加されなければならない。一方、シリコン粒子層の上部と下部との圧力差が０．０１バール以下の場合、シリコン粒子層の高さが非常に小さくなるため、生産性が低下する。
【０３５１】
従って、シリコン粒子層の高さによる圧力差は０．０１〜１バールの範囲内に維持されることが好ましい。
【０３５２】
言い換えれば、最大圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）と、最小圧力差Ｐｉ（ｍｉｎ）の差が０〜１バール範囲内に維持されることが好ましい。
【０３５３】
本発明によって反応管２の両側の圧力差、即ち、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バール範囲内に維持するにあたって、反応管２の高さの違いによって圧力差の値が変化することに留意しなければならない。
【０３５４】
内部圧力制御手段が、内部領域４ｃの上部より圧力が高いシリコン粒子層の内部または下部と空間的に接続された内部領域接続手段、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５または粒子排出手段１６を通して内部領域４と空間的に接続される場合、Ｐｏ≦Ｐｉ及び０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの条件が満たされることが好ましい。
【０３５５】
対照的に、内部圧力制御手段が、シリコン粒子層の内部または下部より圧力が低い内部領域の上部空間４ｃと空間的に接続され、シリコン粒子の流動層と接触しないガス排出手段１７、シリコン種晶注入部１８または内部領域接続手段２４，２５を通して内部領域４と空間的に接続される場合、Ｐｉ≦Ｐｏ及び０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの条件が満たされることが好ましい。
【０３５６】
更に、１ヶ所以上で測定された平均圧力値は、内部圧力制御手段及び外部圧力制御手段の構成において利用され得る。
【０３５７】
特に、前記内部領域の圧力Ｐｉは、接続される空間によって変化し得るため、内部圧力制御手段は、圧力値の測定を可能とする１つ以上の圧力計を備えた制御装置を含み得、平均値を計算することもできる。
【０３５８】
それ故、本発明によって反応管２の両側の圧力差、即ち｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バール範囲内に維持するにあたって、外部領域の圧力Ｐｏが最大圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）と最小圧力値Ｐｉ（ｍｉｎ）との間に維持されることが更に好ましい。
【０３５９】
本発明による内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールに、即ち、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持する圧力差制御手段を含むことが必要である。
【０３６０】
圧力差制御手段は、内部圧力制御手段または外部圧力制御手段のうち一方または両方に含まれ得る。
【０３６１】
但し、Ｐｉ値が内部領域４における位置によって変化し得ることを考慮し、内部領域４において、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６、内部領域接続手段などのような内部領域の上部４ｃより圧力が高いシリコン粒子層の内部、特に圧力が最も高いシリコン粒子層の下部でのＰｉ値は、Ｐｏ≦Ｐｉ及び０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの条件を満たすように、圧力差制御手段により調整されることが好ましい。
【０３６２】
内部圧力制御手段は、圧力差制御手段が外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの範囲内に維持し得るように、流動ガス供給手段１４、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６または内部領域接続手段を通してシリコン粒子層の内部と空間的に接続され得る。
【０３６３】
対照的に、内部領域４においては、内部領域の上部４ｃに空間的に接続される位置での圧力Ｐｉ値が、Ｐｉ≦Ｐｏ及び０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの条件を満たすように、圧力差制御手段により調整されることが好ましい。
【０３６４】
内部圧力制御手段が、シリコン粒子の流動層と接触しないガス排出手段１７、シリコン種晶供給手段１８、内部領域接続手段２４，２５などを通して内部領域４と空間的に接続されるため、圧力差制御手段が外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの範囲内に維持することができる。
【０３６５】
本発明において、圧力差制御手段は、内部圧力制御手段、外部圧力制御手段のいずれか一方、または両方に含まれ得、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールの範囲内に維持するように相互連結され得る。
【０３６６】
本発明によって、外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差が、圧力差制御手段を利用して０〜１バールの範囲内に維持されさえすれば、Ｐｉ値またはＰｏ値のいずれかは、非常に大きく、または非常に小さくなり得る。
【０３６７】
生産性の面においては、反応圧力が絶対圧力で少なくとも１バールであることが好ましい。
【０３６８】
単位時間当りのモル数または質量を基準とした、流動ガス１０と反応ガス１１の供給速度は圧力にほぼ比例して増加する。
【０３６９】
従って、反応圧力、即ち、ＰｏまたはＰｉ値が増加するほど、シリコン粒子層内のガスを反応温度まで加熱することが難しい作業となる。
【０３７０】
しかしながら、反応器に反応ガスを供給する前に、初期分解温度である約３００〜３５０℃まで反応ガス１１を予熱することは難しい。更に、流動層反応器の外部で反応温度またはそれ以上の温度まで流動層を予熱することは、不純物汚染の可能性があるため、危険である。更に、流動ガス供給手段１４の完璧な断熱も実際には難しいため、予熱は反応温度より低い温度に制限される。
【０３７１】
更に、反応圧力が約２０バールを超える場合は、たとえ熱負荷が最大となるように、内部加熱器８ａが加熱領域Ｚｈに設置されても、反応温度の維持に必要な熱量を供給することは現実的に不可能となる。
【０３７２】
このような制約を考慮して、外部領域の圧力Ｐｏまたは内部領域の圧力Ｐｉは、絶対圧力で約１〜２０バールの範囲内であることが好ましい。
【０３７３】
本発明によると、内部圧力制御手段及び外部圧力制御手段は、下記のとおり反応管２の両側の圧力差を低減させる圧力差制御手段を含み得る。
【０３７４】
圧力差制御手段を利用することで、反応管２の安定性を損なうことなく、反応圧力を増加することができるため、生産性を向上させ、流動層反応器の安定性を確保することができる。
【０３７５】
例えば、内部圧力制御手段が内部領域４のいずれの位置に接続されても、内部領域の内部圧力Ｐｉと外部領域の外部圧力Ｐｏが、それぞれ０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件を満たす制御基準値であるＰｉ＊及びＰｏ＊に制御され得るように、内部圧力制御手段と外部圧力制御手段は、それぞれの圧力差制御手段を含み得る。
【０３７６】
このために、内部圧力制御手段は、所定の内部圧力値Ｐｉ＊を維持するための圧力差制御手段を含み、外部圧力制御手段は、反応管２の両側の圧力差を０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの範囲内に維持する条件を満たす外部圧力値Ｐｏ＊を維持するための圧力差制御手段を含み得る。
【０３７７】
同様に、外部圧力制御手段は、所定の外部圧力値Ｐｏ＊を維持するための圧力差制御手段を含み、内部圧力制御手段は、反応管２の両側の圧力差を０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの範囲内に維持する条件を満たす内部圧力値Ｐｉ＊を維持するための圧力差制御手段を含み得る。
【０３７８】
また、内部圧力制御手段を内部領域４のいずれの位置に接続しても、内部圧力制御手段が所定の内部圧力値Ｐｉ＊を維持し得るように、圧力差制御手段が含まれ得る。外部圧力制御手段は、高さに関係なく、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件を満たすように、外部圧力Ｐｏを制御するための圧力差制御手段を含み得る。
【０３７９】
外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの圧力差を０〜１バールの範囲内に維持するために、圧力差制御手段のＰｉ＊及びＰｏ＊値を設定する際には、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂを通した不純物成分の流出を考慮する必要性もある。
【０３８０】
本発明による流動層反応器の設置、操作において、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂを利用したガス封止を完璧に達成することは容易でない。一方、シリコン粒子３の流動により発生した反応管２の内因性熱膨張または反応管２に与えられる剪段応力により、封止手段４１ａ，４１ｂによる封止が不十分となり得る。
【０３８１】
本発明によると、圧力差制御手段の運転条件、つまりＰｉ＊及びＰｏ＊値を正確に設定することで、封止手段４１ａ，４１ｂを通して内部領域４と外部領域５との間に不純物成分が流出する問題を解消することができる。
【０３８２】
本発明によると、内部領域の圧力及び外部領域を各々制御するために、圧力差制御手段の圧力制御条件は、排ガス１３の成分や外部領域５に存在するガスの成分分析に基づいて設定され得る。
【０３８３】
例えば、ガス排出手段１７または排ガス処理手段３４を利用した排ガス１３の成分分析、または外部領域接続手段２８または不活性ガス接続手段２６ｂを利用した外部領域に存在するガスの成分分析によって、内部領域４と外部領域５との間の封止手段４１ａ，４１ｂによる不純物成分の移動を確認することができる。
【０３８４】
内部領域４に供給されない不活性ガス１２の成分が排ガス１３から検出される場合、外部領域５から内部領域４に不純物が混入するのを減少させ、または防止するために、Ｐｏ＊値が減少され得るか、Ｐｉ＊値が増加され得る。
【０３８５】
対照的に、不活性ガス１２に含まれた成分のほかに、内部領域４内の排ガス１３に含まれた成分が、外部領域５の外部に排出されたガスから検出される場合、内部領域４から外部領域５に不純物が混入するのを減少させ、または防止するために、Ｐｏ＊値が増加され得るか、Ｐｉ＊値が減少され得る。
【０３８６】
このように、圧力制御手段の制御条件を適切に選択することで、流動層反応器の設置及び運転中に、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂが完璧に封止をしなくとも、２つの領域との間の不純物混入を減少させ、または防止することが可能である。
【０３８７】
但し、圧力差制御手段で、Ｐｉ＊値及びＰｏ＊値がどのように設定されても、０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件は満たされなければならない。
【０３８８】
本発明の目的を達成するための別の例として、内部圧力と外部圧力の圧力差、ΔＰ＝｜Ｐｏ−Ｐｉ｜が測定されるように、内部圧力制御手段と外部圧力制御手段は相互接続され、内部領域４のいずれの位置での圧力Ｐｉについても、ΔＰ値が０〜１バールの範囲内に維持され得るように、内部圧力制御手段及び／または外部圧力制御手段は、手動、半自動または自動で調節され得る。
【０３８９】
本発明の目的を達成するための別の例として、本発明による圧力差制御手段は、内部圧力制御手段に含まれる接続管と外部圧力制御手段に含まれる接続管を空間的に相互接続する均等管路(ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ  ｌｉｎｅ)を含み得る。
【０３９０】
内部圧力制御手段に含まれて均等管路を構成する接続管は、内部領域４に空間的に直接または間接的に露出される内部領域接続手段２４，２５、流動ガス供給手段１４，１４’、反応ガス供給手段１５、粒子排出手段１６、ガス排出手段１７及び種晶供給手段１８を含む内部領域４と空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。
【０３９１】
更に、外部圧力制御手段に含まれて均等管路を構成する接続管は、外部領域５に空間的に直接または間接的に露出される反応器シェル１に設置された外部領域接続手段２８と、不活性ガス接続手段２６ａ，２６ｂを含む外部領域５と空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。
【０３９２】
内部圧力制御手段と外部圧力制御手段を空間的に相互接続する均等管路は、２つの領域４，５の間の圧力差がほぼ０バールに維持されるため、最も簡単なタイプの圧力差制御手段と言える。
【０３９３】
このような長所にも関わらず、圧力差制御手段が均等管路のみで構成されると、ガス成分及び不純物が２つの領域４，５の間で相互混合され得る。
【０３９４】
もしそうなら、外部領域５における断熱材及び補助加熱器から排出される不純物が、内部領域４、特に、多結晶シリコン粒子を汚染し得る。また、内部領域４からのシリコン粒子、未反応反応ガスまたは反応副生成物も外部領域５を汚染し得る。
【０３９５】
それ故、均等管路が圧力差制御手段として利用される場合、２つの領域４，５の間のガス成分と不純物の相互混合を減少、または防止するために、圧力均等化手段が均等管路に具備され得る。
【０３９６】
圧力均等化手段は、２つの領域４，５との間の圧力維持に影響を与えることなく、ガス及び不純物成分の相互混合を防止し得る圧力均等化弁、３方弁、粒子分離用フィルター、減衰容器、充填層、ピストン、第３の流体、分離膜を利用する圧力補償装置等の逆止弁を１つ以上を含み得る。
【０３９７】
この他にも、圧力差制御手段は、圧力及び流速の調節及び制御が可能な手動弁、または事前に設定された圧力または圧力差により半自動で制御される半自動弁を更に含み得る。
【０３９８】
これらの弁は、圧力または圧力差の値を表示する圧力計と表示装置に加えて、接続管と結合されて設置され得る。
【０３９９】
商業的に利用可能な圧力計と表示装置は、アナログ型、デジタル型及びこれらの組み合わせがある。データの貯蔵及び制御が可能なシステムは、信号変換器、信号処理機などのデータ処理手段及び計算機能を備えるローカル制御装置、分散制御装置または中央制御装置と接続することで構成され得る。
【０４００】
反応領域Ｚｒで必要な熱量を供給するためには、加熱領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａの選択、設計、構成、操作及び制御が重要である。これと関連して、産業的に確立した電気抵抗加熱技術は本発明で利用され得る。
【０４０１】
例を挙げると、非特許文献１及びここで引用された参考文献で言及された電気抵抗加熱技術は本発明でも利用可能である。
【非特許文献１】M．Orfeuil，“Electric Process Heating：Technologies／Equipment／Applications，”Battelle Press，1987（ISBN 0-935470-26-3）
【０４０２】
このような技術を活用する際、本発明で使用される内部加熱器８ａは、少なくとも一部が流動状態を有する高純度のシリコン粒子３層と接触しながら、加熱領域Ｚｈの内部に設置される点を考慮する必要がある。
【０４０３】
本発明で使用され得る内部加熱器８ａは、時折不規則な流動状態を見せ、ガス気泡が爆発する反応管２におけるシリコン粒子３の動き、などに伴う流動層の衝撃、応力及び振動に耐えることができ、抵抗加熱のために電気接続手段９，９’，９ａと電気的に接続されさえすれば、いずれの形態も取り得る。
【０４０４】
従って、この内部加熱器８ａを構成する加熱器ユニットは、粒子の流動層の内部に設置され得、加熱領域Ｚｈにおける内部加熱器８ａと継続して接触するシリコン粒子３、流動ガス１０及び充填物２２から不純物汚染されることを防止し得るように、十分な機械的安定性を有する電気抵抗加熱を提供する抵抗体３８を含み得る。
【０４０５】
本発明において加熱器ユニットを構成し、電気抵抗加熱を提供する抵抗体３８は、厚さ方向の断面が円形、楕円形または多角形である棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または断面が同心円形、楕円形または多角形である導管、チューブ、シリンダーまたはダクトの形態であり得る。前記断面は、長さ方向に沿って１つまたは複数の形態及び／またはサイズを有し得る。
【０４０６】
抵抗体３８の材料として、電流により重大な物性変化がなく、反応温度より最低約１００℃以上高い融点を有し、加熱温度の範囲での比抵抗値が約１μｏｈｍ・ｃｍ〜０．１ｏｈｍ・ｃｍの範囲であるものが好ましい。前述した引用文献に言及された抵抗体の材料が本発明でも使用され得る。
【０４０７】
抵抗体３８の材料は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１つまたは２つを含み得る。
【０４０８】
電気抵抗加熱器の抵抗体３８としてたびたび使用される黒鉛は、必要な長さ、断面及び形態に加工された後、純粋成形物または複合物の形態で使用され得る。粒子不純物の形成を防止するために、約５０〜１００μｍの厚さの炭化ケイ素層が黒鉛の表面に形成されることが好ましい。
【０４０９】
例えば、炭化ケイ素層は、シリコン単結晶成長装置におけるシリコン溶融体るつぼを加熱するために使用されるような抵抗体３８として使用されるように、曲折溝（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ ｓｌｏｔ）を形成するように加工された、直径が大きい黒鉛管の表面に形成され得る。
【０４１０】
ケイ素は、高純度シリコン粒子３層の内部に設置される内部加熱器８ａ用抵抗体３８として好ましい。しかし、高純度シリコンは低い温度範囲では比抵抗が高すぎるため、不純物成分でドープするか、比抵抗が低い抵抗体３８を複合体形態に形成するか、または低温で抵抗加熱が良い成分の複数の層を有する構造に形成することができる。
【０４１１】
電気抵抗加熱にたびたび使用される抵抗材料は、金属や合金を含み得る。
【０４１２】
抵抗体３８を含む材料は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素または合金を含み得る。
【０４１３】
更に、抵抗体３８は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア及びそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１種と共に、非炭素系セラミック成分と金属元素を含み得る。
【０４１４】
内部加熱器８ａの加熱器ユニットのサイズは、加熱領域Ｚｈの内部に設置されても反応ガス１１との接触を避けることができ、シリコン粒子３の流動により発生する衝撃、応力及び振動に耐え、電気接続手段９，９’，９ａと電気的に接続されるように抵抗加熱を行うことができさえすれば、特別に限定されない。
【０４１５】
しかしながら、個々の内部加熱器ユニットの性能は、特別な物質だけでなく、電流の流れによって断面積により直接影響を受ける電気抵抗値のような電気的特性によっても決定されるため、抵抗加熱特性を最適化することが好ましい。
【０４１６】
この加熱器ユニットを構成する抵抗体３８は、電極部を含む電気接続手段９，９’，９ａを通して電力供給源Ｅと電気的に接続される。
【０４１７】
前述した通り、抵抗体３８を構成する成分の大部分が、高純度のシリコン粒子３を汚染する不純物成分であるため、シリコン粒子３との直接接触を防止することが重要である。
【０４１８】
それ故、抵抗体３８とシリコン粒子３との直接接触を防止するために、（i）保護管４０が抵抗体３８の外部に設置されるか；（ii）各々異なる障壁成分で製作された１つまたは複数の分離層３９が、抵抗体３８の表面に形成されるか；または（iii）保護管４０が、分離層３９が形成された抵抗体３８の外部に設置され得る。
【０４１９】
保護管４０は、２つの方法で抵抗体３８の外部に設置され得る。第１に、保護管４０は、図１または図３に図示されるＷ型、またはＵ型内部加熱器８ａように、抵抗体３８の長さ方向の全部、または一部を、厚さ方向に取り囲み得る。または、図２、図４及び図５に図示される埋没型内部加熱器８ａのように、抵抗体３８は、放射管形態に密閉した保護管４０の内部に設置され得る。
【０４２０】
Ｕ型またはＷ型加熱器ユニット８ａの場合、保護管４０は、抵抗体３８の形態によってチューブ、導管、成形品などの多様な形態であり、抵抗体３８と接触するか、保護管４０と抵抗体３８との間の空間に設置され得る。
【０４２１】
更に、抵抗体３８及び／または保護管４０は、単一ユニットで構成され得、または複数の構成要素を含み得る。
【０４２２】
例えば、図１は、加熱器ユニットが、電気接続手段９、即ち電極部に設置された２つの垂直の構成要素および水平の仲介部分と電気的に接続することで構成される場合を概略的に図示している。
【０４２３】
抵抗体３８及び／または保護管４０を構成する複数の構成要素は、（i）抵抗体３８の接続手段を機械的に加工するか、（ii）溶接手段またはプラズマ／アークなどを利用して溶接するか、（iii）接続用フィッティング部材または部品を使用するか、または（iv）上記の方法の組合せを通して結合され得る。
【０４２４】
構成要素は、同一の大きさ、同一材料からなり得る。しかし、断面積、長さなどのような要素の物理的特性が温度による電気的性質を考慮して選択され、構成要素が容易にかみ合うように加工されさえすれば、異なる大きさ、または材料であっても使用され得る。
【０４２５】
フィラメント／ワイヤー放熱器、石英管放熱器、セラミック放熱器などを含む埋没型、即ち放射管型加熱器ユニット８ａは、抵抗体３８が密閉されて安全に保護され得るため、抵抗体３８の選択において有利である。本発明の加熱器ユニット８ａで使用され得る保護管４０は、厚さ方向に、同心円形、楕円形、多角形などを含む多様な断面形態を持つことができる。このような保護管４０はシリコン粒子３と接触するため、内部加熱器８ａ及び／または保護管４０自体からの不純物によるシリコン粒子３の汚染を防止し得るように、単一層、すなわち単一成分材質、または複数の層３９で作られるべきである。更に、保護管４０を構成する層３９または材料は、抵抗体３８から高温において電気伝導性を有する高純度のシリコン粒子３への電流の流れを防止する電気絶縁性を提供する必要がある。
【０４２６】
保護管４０を使用することなく、加熱器ユニット８ａを利用してシリコン粒子３と流動ガス１０を加熱するためには、不純物汚染を防止するために、抵抗体３８の表面に１または複数の分離層３９を形成することが好ましい。更に、保護管４０においても、抵抗体３８から高純度のシリコン粒子３へ電流が流れるのを防止する電気絶縁性を提供するために、好ましくは分離層３９が必要である。この場合、分離層３９は、抵抗体３８を保護するという、保護管４０の機能も果たす。
【０４２７】
電気絶縁性を確保し、シリコン粒子３の不純物汚染を防止するためには、加熱器ユニット８ａは、上に分離層３９が形成された抵抗体３８を取り囲むように、保護管４０を設置することで構成され得る。この場合、保護管４０は長さ方向に沿って加熱器ユニット８ａの全部または一部に設置され得る。
【０４２８】
前述した通り、本発明による内部加熱器８ａの加熱器ユニットは、分離層３９の数、保護管４０の可否などにより様々な方法で構成され得る。
【０４２９】
最も簡単な例の形態は、抵抗体３８及び／または保護管４０は、円形または同心円形であり、加熱器ユニットの断面は図６（ａ）〜（ｉ）に図示したような様々な形態で構成され得る。
【０４３０】
図６（ａ）は、棒型の抵抗体３８の表面に２種の分離層３９’，３９”が形成される場合を図示し；図６（ｂ）は、棒型の抵抗体３８が保護管４０により取り囲まれて接触する場合を例示し；図６（ｃ）は、棒型の抵抗体３８が保護管４０により間隔をあけて取り囲まれる場合を図示し；図６（ｄ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８の外側の表面が、別の分離層３９ｂが形成された保護管４０の内側の表面と接触する場合を図示し；図６（ｅ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８が、外側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示し；図６（ｆ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８が、内側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示し；図６（ｇ）は、２つの分離層３９，３９”がチューブ型の抵抗体３８の外側の表面に形成され、１つの分離層３９’’’が内側の表面に形成される場合を図示し；図６（ｈ）は、外側の表面に分離層３９ａ，３９ａ’が形成されたチューブ型の抵抗体３８が、外側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０の内部と接触する場合を図示し；図６（ｉ）は、外側の表面に分離層３９ａが、及び内側の表面に分離層３９ａ’が各々形成されたチューブ型の抵抗体３８が、保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示している。
【０４３１】
更に、Ｕ型またはＷ型加熱器ユニットは、抵抗体３８によりシリコン粒子の不純物汚染を防止するために、図６に図示された、いくつかの例の組合せを利用した様々な方法で構成され得る。
【０４３２】
また、埋没型、つまり、放射管型内部加熱器８ａは、産業的に活用される様々な方法で構成され得る。図７（ａ）〜（ｄ）は、抵抗体３８の厚さ方向の断面の例をいくつか概略的に図示している。
【０４３３】
図７（ａ）は、ワイヤー、棒またはフィラメント形抵抗体３８が保護管４０の内部で絶縁体４２により支持される場合を図示し；図７（ｂ）は、抵抗体３８が断面が四角形となるように加工され、保護管４０の内部に設置される場合を図示し；図７（ｃ）は、断面が半円形である抵抗体３８が、内表面上に追加の分離層３９ｂが形成された、保護管４０の内部の層３９ａにより完全に取り囲まれる場合を図示し；図７（ｄ）は、カットされたチューブの形態に加工された抵抗体３８が、外表面上に追加の分離層３９bが形成された保護管４０の内部に設置される場合を図示している。
【０４３４】
分離層３９は、抵抗体３８及び／または保護管４０の表面に更に形成され得る。
【０４３５】
Ｕ型またはＷ型の加熱器ユニットと同様に、放射管型加熱器ユニットに含まれる抵抗体３８も、不純物汚染及び／または腐食を防止するために、表面を分離層３９でコーティングすることもできる。
【０４３６】
放射管型加熱器ユニットは、各ユニット別に電気入口端子と出口端子が必要である。また、図７（ａ）〜（ｄ）に図示されたような抵抗体３８の構成要素は、入力端子から供給された電流が外部端子を通して出て行くことができるように、保護管４０の内部に電気的に相互接続されることが必要である。
【０４３７】
前述したように、加熱器のタイプに関係なく、抵抗体３８及び／または保護管４０の構成は、多様に選択され得る。しかし、不純物汚染を最大限防止することが必要な場合、分離層３９を適切に形成することが非常に重要である。
【０４３８】
本発明による分離層３９及び／または保護管４０は、１または複数の層からなりえる。しかし、５層以上からなる場合、障壁成分の間の熱膨張の差が深刻となり、分離層３９を形成するのにかなりの時間、労力及び費用を要する。従って、分離層３９及び／または保護管４０は１〜５層からなることが好ましい。
【０４３９】
本発明の障壁成分は、抵抗体３８からシリコン粒子３及び／または流動ガス１０に不純物の拡散を防止する成分を含む必要がある。
【０４４０】
内部加熱器８ａに供給された電流が、高温で電気伝導性を有する高純度のシリコン粒子３に流れると、シリコン粒子３は瞬時に溶けるか、互いに引っ付き合う。
【０４４１】
このような問題を防止するために、障壁成分は、分離層３９及び／または保護管４０が少なくとも１の電気絶縁層を含むように、電気絶縁成分の中から選択され得る。
【０４４２】
本発明の分離層３９及び／または保護管４０を構成する障壁成分は、電気絶縁層及び／または抵抗体３８に含まれた不純物がシリコン粒子３及び／または流動ガス１０に拡散されることを防止し得る層を形成し得る成分の中から選択され得る。
【０４４３】
障壁成分の例は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）のように、室温で非金属性質を有する元素の窒化物、酸化物、炭化物または酸化窒化物を含む。
【０４４４】
更に、障壁成分は、室温で金属性質を持つ、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された少なくとも１の元素の窒化物、酸化物、ケイ素化物、ホウ素化物、炭化物、酸化窒化物または酸化ケイ素化物を含み得る。
【０４４５】
窒化物系障壁成分は、Ｓｉ−Ｎ、Ｗ−Ｎ、Ｏｓ−Ｎ、Ｔａ−Ｎ、Ｍｏ−Ｎ、Ｎｂ−Ｎ、Ｉｒ−Ｎ、Ｒｕ−Ｎ、Ｔｃ−Ｎ、Ｈｆ−Ｎ、Ｒｈ−Ｎ、Ｖ−Ｎ、Ｃｒ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎ、Ｐｔ−Ｎ、Ｔｈ−Ｎ、Ｔｉ−Ｎ、Ｌｕ−Ｎ、Ｙ−Ｎなどのような単一成分窒化物と、Ｗ−Ｖ−Ｎ、Ｗ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｃ−Ｎ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｍｏ−Ｎなどのような混合金属窒化物を含む。
【０４４６】
このような窒化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。窒化物系分離層３９の窒素成分は加熱領域Ｚｈをほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得る。更に、電気絶縁性を示すＳｉ−Ｎ結合を有する窒化ケイ素成分は、酸化物系、酸化窒化物系、炭化物系、ケイ素化物形または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４４７】
酸化窒化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｗ−Ｏ−Ｎ、Ｏｓ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ−Ｎ、Ｍｏ−Ｏ−Ｎ、Ｎｂ−Ｏ−Ｎ、Ｉｒ−Ｏ−Ｎ、Ｒｕ−Ｏ−Ｎ、Ｔｃ−Ｏ−Ｎ、Ｈｆ−Ｏ−Ｎ、Ｒｈ−Ｏ−Ｎ、Ｖ−Ｏ−Ｎ、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ、Ｚｒ−Ｏ−Ｎ、Ｐｔ−Ｏ−Ｎ、Ｔｈ−Ｏ−Ｎ、Ｔｉ−Ｏ−Ｎ、Ｌｕ−Ｏ−Ｎ、Ｙ−Ｏ−Ｎなどのような単一成分酸化窒化物と、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｈｆ−Ｚｒ−Ｏ−Ｎ、Ｍｏ−Ｗ−Ｏ−Ｎ、Ｖ−Ｍｏ−Ｗ−Ｏ−Ｎなどのような混合金属酸化窒化物を含む。
【０４４８】
このような酸化窒化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。酸化窒化物系分離層３９の窒素及び酸素成分は析出領域をほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得る。更に、電気絶縁性を示すＳｉ−Ｏ−Ｎ結合を有する酸化窒化ケイ素成分は、窒化物形、酸化物系、炭化物系、ケイ素化物形または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４４９】
酸化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｏ、Ｗ−Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ｎｂ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ、Ｔｉ−Ｏなどのような単一成分酸化物と、Ｗ−Ｖ−Ｏ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｔｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｔｉ−Ｎｂ−Ｏ、Ｓｒ−Ｌａ−Ａｌ−Ｏ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ、Ｓｒ−Ｈｆ−Ｏ、Ｎｂ−Ｔａ−Ｏ、Ｂａ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂａ−Ｍｏ−Ｏ、Ｂａ−Ｃｅ−Ｏ、Ｂａ−Ｔｉ−Ｏ、Ｃａ−Ｔｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｚｒ−Ｏ、Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｍｏ−Ｏ、Ｙ−Ｚｒ−Ｏなどのような混合金属酸化物を含む。
【０４５０】
このような酸化物系成分は、ほとんどが１，４２０℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。酸化物系分離層３９の酸素成分は加熱領域Ｚｈをほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得、窒化物系、酸化窒化物系、炭化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４５１】
炭化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｃ、Ｗ−Ｃ、Ｏｓ−Ｃ、Ｔａ−Ｃ、Ｍｏ−Ｃ、Ｎｂ−Ｃ、Ｉｒ−Ｃ、Ｒｕ−Ｃ、Ｔｃ−Ｃ、Ｈｆ−Ｃ、Ｒｈ−Ｃ、Ｖ−Ｃ、Ｃｒ−Ｃ、Ｚｒ−Ｃ、Ｐｔ−Ｃ、Ｔｈ−Ｃ、Ｔｉ−Ｃ、Ｌｕ−Ｃ、Ｙ−Ｃなどのような単一成分炭化物と、Ｓｉ−Ｗ−Ｃ、Ｔａ−Ｈｆ−Ｃ、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃなどのような混合金属炭化物と、Ｗ−Ｃ−Ｎ、Ｔａ−Ｃ−Ｎ、Ｚｒ−Ｃ−Ｎ、Ｔｉ−Ｃ−Ｎのような遷移金属炭化窒化物などを含む。
【０４５２】
このような炭化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。酸化物系分離層３９の酸素成分は加熱領域Ｚｈを汚染させる傾向があるため、炭化物系分離層を単一分離層３９として使用するよりは、加熱領域Ｚｈから炭化物系分離層を遮蔽するために、窒化物系、酸化窒化物系、ケイ素化物系、酸化ケイ素化物系分離層３９を使用することが好ましい。
【０４５３】
ケイ素化物障壁成分は、Ｗ−Ｓｉ、Ｏｓ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｓｉ、Ｎｂ−Ｓｉ、Ｉｒ−Ｓｉ、Ｒｕ−Ｓｉ、Ｔｃ−Ｓｉ、Ｈｆ−Ｓｉ、Ｒｈ−Ｓｉ、Ｖ−Ｓｉ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｚｒ−Ｓｉ、Ｐｔ−Ｓｉ、Ｔｈ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｌｕ−Ｓｉ、Ｙ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｓｉなどのような単一成分ケイ素化物と、Ｗ−Ｖ−Ｓｉ、Ｗ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｃ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｓｉ−Ｎなどのような混合金属ケイ素化物を含む。ケイ素化物と結合する酸素原子を有する酸化ケイ素もケイ素化物系成分に含まれ得る。
【０４５４】
このようなケイ素化物系または酸化ケイ素化物系成分は、融点が１，４２０℃以上となるように調節され得る。更に、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、単一または複数の分離層３９として使用され得る。また、窒化物系、酸化物系、酸化窒化物系または炭化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットに形成され得る。
【０４５５】
更に、分離層３９をなす障壁成分には、ホウ素の窒化物、酸化物、炭化物、酸化窒化物などのように、優れた物性を有するホウ素含有物質も含み得る。ホウ素系分離層３９のホウ素成分は、高温で加熱領域Ｚｈを汚染させ得るため、ホウ素系分離層３９を単一分離層３９として使用するより、加熱領域Ｚｈからホウ素系分離層を遮蔽するために、窒化物系、酸化窒化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９を使用する必要がある。
【０４５６】
本発明によって抵抗体３８の表面に分離層３９を形成することにより加熱器ユニットを構成することは、様々な方法で実施され得る。
【０４５７】
例えば、先で説明したように、加熱器ユニットは、分離層３９を形成するために、分離層３９の障壁成分を含む構成ユニットを使用して、抵抗体３８の表面を取り囲むようにして、同軸多重管の形態に構成され得る。
【０４５８】
このような分離層３９の構成ユニットは分離層３９を形成するのに使用される場合、加熱器ユニットは、所定のサイズ、形態及び個数によって決まる各分離層３９の構成ユニットを塗布または製造し、分離層３９で抵抗体３８を取り囲むことで構成され得る。
【０４５９】
この方法は、複数の分離層３９の構成ユニットを組み立てて加熱器ユニットを構成する場合に適合する。分離層３９の各構成ユニットは、それぞれの障壁成分を含む各層が、厚さ方向に断面が円形、多角形、同心円形または同心多角形の形態であり、抵抗体３８の表面を取り囲むことができる、１または複数の分離層３９を含み得る。
【０４６０】
この方法によると、抵抗体３８の表面と分離層３９との間、分離層３９と分離層３９との間、または分離層３９の構成ユニット間に微細な空間が存在し得るが、これらは加熱器ユニットの作用を妨害しない。
【０４６１】
これとは異なり、分離層３９は、選択された各障壁成分を抵抗体３８の表面に所定の厚さにコーティングすることで形成され得る。このような分離層３９の直接コーティングにて、複数の層からなる分離層３９は単一コーティング装置または種々のコーティング装置を利用して形成され得る。
【０４６２】
この方法によると、分離層３９は、抵抗体３８の表面と分離層３９との間、または分離層３９間に不必要な空間なく密接に形成され得る。
【０４６３】
更に、加熱器ユニットは、分離層３９の構成ユニットを組立て、直接コーティングにより分離層３９を形成することで構成され得る。
【０４６４】
本発明に従った抵抗体３８の表面の全体または一部への分離層３９の形成は、別途の反応器やコーティング装置を利用して実施され得る。その他に、本発明で利用される流動層において、または既存の利用可能な鐘型析出反応器の内部空間において実施することもできる。
【０４６５】
抵抗体３８は対応する反応器の電極部セットに接続され、抵抗体３８を加熱するためにこの電極部を通して電気が供給される。更に、加熱ユニットは、抵抗体３８の表面に分離層３９を形成するため、析出反応器に分離層３９形成用原料ガスを提供することで製造され得る。
【０４６６】
その他、分離層３９の一部が、別途の装置を利用して抵抗体３８の表面に形成され、残りの分離層３９が、本発明で利用される析出反応器または既存の析出反応器を利用して更に形成され得る。
【０４６７】
この場合、１つまたは複数の未完成加熱器ユニットが、電極部と接続して析出反応器の内部に配置された後、未完成加熱器ユニットを加熱するために電極部を通して電気が供給され得る。更に、析出反応器の内部に分離層３９を形成するための原料ガスは、分離層３９を形成し、本発明で活用され得る加熱器ユニットを完成させるために導入される。
【０４６８】
更に、本発明において、単一層または複数の層からなる分離層３９は、（i）物理蒸着法（ＰＶＤ）（スパッタリング蒸着法、パルスレーザー蒸着法、イオン注入法及びイオンめっき法など含む）；（ii）化学的蒸着法（ＣＶＤ）（常圧ＣＶＤ、金属有機ＣＶＤ、プラズマ化学気相成長法など含む）；（iii）溶融体噴霧法（Ｍｅｌｔ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ；各種噴霧法及びエアゾール蒸着法を含む）；（iv）熱反応析出拡散法（溶融塩法及び粉末法を含む）；そして（v）ゾル−ゲル法及び溶液法により形成され得る。
【０４６９】
本発明において、分離層３９の厚さの合計は、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であることが好ましく、および／または保護管４０の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【０４７０】
分離層３９の厚さの合計が１μｍより小さい場合、障壁成分は十分な分離効果を示さない。対照的に、厚さの合計が５ｍｍより大きい場合、分離層３９の形成が難しく、熱膨張の差により層分離が発生し得るため、保護管４０を使用することがむしろ便利となる。
【０４７１】
更に、保護管４０の厚さの合計が１ｍｍより小さいと、シリコン粒子３との接触や、外部衝撃により容易に破損され得る。反対に、厚さの合計が２０ｍｍより厚い場合、加熱領域Ｚｈにおいて内部加熱器８ａにとられる空間が不必要に大きくなり、シリコン粒子３の加熱効率の面でも望ましくない。
【０４７２】
前述したように、分離層３９及び／または保護管４０からなる障壁成分と分離層３９の個数、物性などの選択は、不純物拡散防止効率、電気絶縁性能、物理的安定性などをテストして事前に決定され得る。
【０４７３】
前述したように、抵抗体３８の表面に分離層３９を形成することで、加熱器ユニットによるシリコン粒子３の不純物汚染をより完全に防止するために、分離層３９は、ケイ素を障壁成分として含む１μｍ〜５ｍｍの範囲内の厚さのシリコン層を、更に含み得る。
【０４７４】
分離層３９へのシリコン層追加の必要性、および追加されるシリコン層の厚さ、位置などは、予備実験を通して決定され得る。
【０４７５】
必要な場合、分離層３９へのシリコン層の追加は、シリコン析出用反応ガスを使用して、本発明による析出反応器、または既存の析出反応器の内部において、または別途のコーティング、膜形成または反応装置を利用して実施され得る。
【０４７６】
この場合、シリコン層のコーティングは、対応する分離層３９としっかり結合し得る反応条件下で行うことが好ましい。
【０４７７】
前述した通り、加熱器ユニット製造の間、抵抗体３８の加工前後、分離層３９の形成前後、またはシリコン析出操作の前に、残留不純物の除去、または化学的改質のために、４００〜３，０００℃の温度範囲内で加熱器ユニットを熱処理することが好ましい。
【０４７８】
更に、加熱器ユニットの熱処理は、真空下または水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどのガス雰囲気下で実施されるのが好ましい。
【０４７９】
この熱処理は、本発明に使用される析出反応器または既存の析出反応器で実施され得る。その他、別途の熱処理装置またはコーティング装置を利用して実施することもできる。
【０４８０】
全ての実施形態を図面に図示しなかったが、本明細書と図１〜図４に例示された必要な構成及び要素を選択して組み合わせることで、本発明による方法及び装置は様々に想定され得る。
【産業上の利用可能性】
【０４８１】
上述の説明から明らかなように、本発明による流動層反応器及びこれを利用した多結晶シリコンの形成方法は、下記のような長所を提供する。
【０４８２】
（１）反応管内部にシリコン粒子層が形成された空間が、反応ガス供給手段により反応領域と加熱領域に区分されるため、加熱領域でシリコンが析出及び堆積され、その結果反応器の運転が中断されるという問題が防止され得る。
【０４８３】
（２）シリコン粒子が加熱領域内にある間に２つの領域間のシリコン粒子が、流動状態で継続的に相互混合され得、領域を通過する流動ガスが加熱領域の内部空間に設置された内部加熱器により加熱されるため、シリコン析出に必要な熱量が反応領域に素早く供給され得る。
【０４８４】
（３）内部加熱器が加熱領域の内部に設置されるため、不必要な熱損失が最小化され、高収率でのシリコン析出に必要な反応温度が容易に維持され得る。
【０４８５】
（４）加熱領域の内部に設置された内部加熱器の周辺に充填材料で充填層が形成される場合、２つの領域間の早い熱伝達のために要求される、加熱領域内の流動ガスを加熱するために必要な熱量の消費は、加熱速度増加の間、加熱領域の下部方向への熱損失の減少およびシリコン粒子の流動を妨害しないことにより最小化され得る。
【０４８６】
（５）反応ガスの注入により継続的に冷却されることが必要な反応領域に、十分な熱量が供給され得るため、反応圧力が増加され得、流動層反応器の生産性が最大化され得る。
【０４８７】
（６）本発明は、シリコン粒子層が反応ガス供給手段の出口を基準として反応領域と加熱領域に区分されさえすれば、いずれの形態または構造の流動層反応器に適用され得るため、粒状の多結晶シリコンの製造に広範囲で活用され得る。
【０４８８】
（７）反応器の内部と外部の圧力差が小さい範囲に維持され得るため、高圧力下におけるシリコン析出物の形成に関わらず、反応管の機械的安定性が確保され、反応管の両サイドの圧力差により生じる反応管の損傷が防止され得る。
【０４８９】
（８）不純物汚染を最小化すると同時に、シリコン粒子が効率的に加熱され得るため、本発明は、高純度の多結晶シリコン粒子の大量生産に利用され得る。
【０４９０】
この技術分野における、上記明細書において開示されているこれらの技術の概念及び具体的実施態様は、本発明と同目的の、他の実施態様における実施のための修正または設計の基礎として容易に利用し得るものと認められる。また、この技術分野における、このような同等の実施形態にかかるこれらの技術は、クレームに付随するこの発明の特質や範囲から外れるものではないと認められる。
【符号の説明】
【０４９１】
１  反応器シェル
２  反応管
３  シリコン粒子
３ａ  シリコン種晶
３ｂ  シリコン製品粒子
４  内部領域
５  外部領域
６  断熱材
７  ライナー
８ａ  内部加熱器
８ｂ  補助加熱器
９  電気接続手段
１０  流動ガス
１１  反応ガス
１２  不活性ガス
１３  排ガス
１４  流動ガス供給手段
１５  反応ガス供給手段
１６  粒子排出手段
１７  ガス排出手段
１８  種晶供給手段
１９  ガス分散手段
２２  充填材料
２４，２５  内部領域接続手段
２６  不活性ガス接続手段
２８  外部領域接続手段
３４  排ガス処理手段
３５  マイクロ波発生器
３６  導波管
３７  マイクロ波
３８  抵抗体
３９  分離層
４０  保護管
４１  封止材
４２  絶縁材
Ｄ  シリコン析出物
Ｅ  電力供給源
Ｚｈ  加熱領域
Ｚｒ  反応領域
【図１】
2010500274.tif 000003
【図２】
2010500274.tif 000004
【図３】
2010500274.tif 000005
【図４】
2010500274.tif 000006
【図５】
2010500274.tif 000007
【図６】
2010500274.tif 000008
【図７】
2010500274.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月14日(2009.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４１】
前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４９】
前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された１つまたは複数の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む、請求項４５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
選択的に、前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
選択的に、前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミニウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択される１種または複数個の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３９】
本発明によると、単位時間当りの加熱領域Ｚｈに供給される流動ガス１０の供給速度（Ｆ；ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）は、反応ガスを供給することなく、反応領域Ｚrでのシリコン粒子が前記反応温度範囲内で流動され始める最小流動化状態となる供給速度Ｆｍｆの１．０〜５．０倍の範囲内であることが好ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５８】
反応管２の直径が非常に大きい大量生産用流動層反応器を利用した、高圧下でのシリコン析出運転においては、内部加熱器８ａのみで反応温度を維持することが難しい場合は、内部領域Ｚｈを加熱するために、内部領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａに加えて補助加熱器８ｂが外部領域５に設置され得る。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１５９】
図３及び図４には、内部領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａに加えて、外部領域５に設置された補助加熱器８ｂを概略的に図示している。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６０】
シリコン析出反応において、追加的な加熱のために、補助加熱器８ｂが内部領域４に設置される場合、反応管２の外部に設置される補助加熱器８ｂの加熱効率が、シリコン粒子層の内部に設置される内部加熱器８ａに比べて劣るため、補助加熱器８ｂの熱負荷が内部加熱器８ａの熱負荷の１００％を超過しないことが好ましい。  
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６３】
しかし、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ'の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ'は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応領域Ｚrに反応ガスを供給し、反応器加熱開始する前にシリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転で反応管２の内壁面に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１６６】
加熱領域Ｚhに設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給する補助加熱器８ｂを外部領域５に設置する代りに、内部領域４に電磁放射エネルギーを供給して、シリコン粒子３を加熱することも可能である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１７４】
外部領域５での補助加熱器８ｂの設置または活用の有無に関わらず、マイクロ波の加熱は、反応器加熱始動の間で、反応領域Ｚrに反応ガスを供給する前にシリコン粒子３層を加熱するか、またはシリコン析出物の除去工程の前または途中で、シリコン析出運転の間反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２５０】
前述したとおり、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ'の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ'は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応器開始操作中、反応領域Ｚrに反応ガス１１を供給する前に、シリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転のあいだ反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２５２】
しかし、反応領域Ｚrに反応ガス１１が供給されるシリコン析出の間、内部加熱器８ａの熱負荷を超過しない熱付加を有する補助加熱器８ｂが使用される場合、反応管２の内壁にシリコン析出物Ｄの堆積の速度が増加することができないように、図４に図示されるように、補助加熱器８ｂの高さを限定することが好ましい。より安全なのは、補助加熱器８ｂが加熱領域４の高さ以下に設置されることである。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２５４】
前述した通り、加熱領域Ｚhに設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給するために、補助加熱器８ｂが外部領域５に設置され得る。しかし、このような補助加熱の代りに、シリコン粒子３を加熱するために、内部領域４に電磁放射エネルギーが供給され得る。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２５７】
マグネトロンのようなマイクロ波発生器が反応器シェル１と結合して設置され（図５の図面符号３５ｂ参照）、電力が電力供給源Ｅから供給されると、マイクロ波３７はシェル１の内部に直接放射され、導波管３６は必要とされない。しかし、各発生器の容量が限られており、機械的安定性が良くないため、多数の発生器が必要であるという問題がある。マイクロ波発生器３５が導波管３６により反応器シェル１と結合されて反応器の外部に設置される場合、必要な容量が高い信頼性で得られるが、費用が非常に高くなる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２７０】
シリコン析出に必要な反応ガス１１を反応領域Ｚｒの内部に供給する反応ガス供給手段１５は、様々な形態で構成され得る。図２に例示されるように、単一反応ガスノズルまたは複数の反応ガスノズルを含み得る。あるいは、反応ガス１１を供給するための各反応ガスノズルが、加熱領域Ｚｈの内部で１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成され得る。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０３８２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０３８２】
本発明によると、内部領域の圧力及び外部領域の圧力を各々制御するために、圧力差制御手段の圧力制御条件は、排ガス１３の成分や外部領域５に存在するガスの成分分析に基づいて設定され得る。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４１２】
抵抗体３８を含む材料は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素または合金を含み得る。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４４４】
更に、障壁成分は、室温で金属性質を持つ、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された少なくとも１の元素の窒化物、酸化物、ケイ素化物、ホウ素化物、炭化物、酸化窒化物または酸化ケイ素化物を含み得る。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０４５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０４５２】
このような炭化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。炭化物系分離層３９の炭素成分は加熱領域Ｚｈを汚染させる傾向があるため、炭化物系分離層を単一分離層３９として使用するよりは、加熱領域Ｚｈから炭化物系分離層を遮蔽するために、窒化物系、酸化窒化物系、ケイ素化物系、酸化ケイ素化物系分離層３９を使用することが好ましい。
【手続補正書】
【提出日】平成21年10月28日(2009.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】  粒状の多結晶シリコンの形成方法及び形成装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコン（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ、ｍｕｌｔｉｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｓｉｌｉｃｏｎ、ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎまたはｐｏｌｙ−Ｓｉ）の形成方法及び形成装置に関し、更に詳しくは、シリコン粒子の表面にシリコンを析出するため、シリコン粒子を高温で加熱する間に生じる問題を最小化することによって、長期間安定的に反応器を運転することができる粒状の多結晶シリコンの形成方法及び形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、高純度多結晶シリコンは、半導体性質又は高い純度を要求する、半導体素子、太陽電池、化学処理装置、産業システム、の原料として広く使用されている。また、総合精密装置及び小型の、高集積精密装置にも使用される。
【０００３】
高純度多結晶シリコンは、高純度に精製されたケイ素含有反応ガスの熱分解及び／または水素還元反応に基づき、シリコン粒子の表面へのシリコン析出を繰り返すことで、形成される。
【０００４】
多結晶シリコンの商業的大量生産においては、今日まで鐘型（ｂｅｌｌ−ｊａｒ ｔｙｐｅ）反応器が主に使用されてきた。この鐘型反応器を利用して製造された多結晶シリコン製品は、棒状であり、直径が約５０〜３００ｍｍである。電気抵抗加熱に基づく鐘型反応器を利用した多結晶シリコンの形成方法は、シリコン析出による棒の直径の増加に限界があるため、連続的に実施され得ない。更に、シリコン析出に必要な表面積が制限されているため、析出反応の効率が低く、過度の熱損失が製品の単位量当たりの高い電力消費量ももたらす。
【０００５】
これらの問題を解決するために、最近は、微粒、即ち約０．５〜３ｍｍのサイズの粒子状の多結晶シリコンを生産し得る流動層反応器を利用したシリコン析出工程が開発されている。この方法によると、反応器の下部から上部方向に供給されるガスが、シリコン粒子が流動される流動層を形成する。シリコン粒子は、高温の流動層に導入されたケイ素含有反応ガスの外部にＳｉ元素が析出することで、次第に増加する。
【０００６】
前記鐘型反応器の場合、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、及びこれらの混合ガスのようなＳｉ−Ｈ−Ｃｌ系シラン化合物が、ケイ素含有反応ガスとして、流動層反応器に使用される。通常この反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの中から選択された少なくとも１種のガス成分を更に含む。
【０００７】
多結晶シリコンの製造のためのシリコン析出を得るためには、反応温度、またはシリコン粒子の温度は、モノシランについては約６００〜８５０℃に、商業的大量生産に最も広範囲に使用されるトリクロロシランについては約９００〜１，１００℃に維持されなければならない。
【０００８】
シリコン析出工程の間、ケイ素含有反応ガスの熱分解及び／または水素還元反応工程において多様な素反応が起こる。更に、ケイ素元素は、反応ガスの組成により、異なる経路で粒子に成長する。素反応に含まれるもの、及び粒子の成長の経路に関わらず、流動層反応器により粒状の多結晶シリコン製品が生産される。
【０００９】
シリコン析出及び／またはシリコン微粒子の結合が続けられると、小さいシリコン種晶は、サイズが増加し、流動層の下部に次第に沈殿する。前記種晶は流動層反応器の内部で直接生成され得るか、流動層反応器の外部で製造した後、流動層反応器の内部に連続的に、周期的に、または断続的に供給され得る。シリコン析出反応によりサイズが増大された多結晶シリコン生成物、またはシリコン粒子は、反応器の下部から連続的に、周期的に、または断続的に取り出される。
【００１０】
前記流動層反応器は、シリコン析出が発生し得る表面積が広いため、製造の収率において前記鐘型反応器の場合より優位である。更に、粒状の多結晶シリコン製品は、棒状製品とは異なり、単結晶成長、結晶ブロックまたは膜の製造、表面処理及び改質、反応または分離用化学物質の製造、シリコン粒子の成形または粉砕などを含むシリコン応用工程で容易に使用され得る。その上、粒状の多結晶シリコン生成物は、連続的または半連続的方法で運転されるこのような工程を可能とする。
【００１１】
前記流動層反応器を利用して粒状の多結晶シリコンを連続的にまたは半連続的に生産するのに最も難しい工程の一つは、析出反応に必要な温度を維持するために、シリコン粒子を加熱することである。流動層反応器の内部のシリコン粒子の不純物汚染を最小化しながら、析出反応に必要な温度を維持するためにシリコン粒子を加熱するにあたって、以下のような問題が伴う。前記流動層反応器に供給される反応ガスは、約３００℃以上の温度でシリコン析出を発生させることができる。しかし、シリコン析出は、反応ガス加熱手段の壁面に発生し、運転の継続に伴ってシリコン析出物が堆積されるため、前記反応ガスが、流動層反応器に供給される前に十分に予熱され得ない。更に、シリコン析出が、高温の反応ガスに継続的に露出された反応器構成要素の表面で発生するため、シリコン析出物が自然にその上に堆積される。従って、反応器の内壁面を加熱する従来の方法によってシリコン粒子を十分に加熱することは難しく、反応器を長時間安定的に運転することも不可能である。更に、不純物汚染を最小化しながら、シリコン粒子の効果的な加熱を可能とする方法は稀である。
【００１２】
このような問題を解決するために多様な技術的解決策が提示されている。主に、流動層反応器の内部空間を、析出反応がシリコン粒子の表面で起きる反応領域と、シリコン粒子を加熱するための加熱領域に区分することに基づき、前記加熱領域を通して前記反応領域を間接的に加熱することである。
【００１３】
流動層反応器の内部空間を加熱領域と反応領域に区分する方法の一つとして、前記分離手段を取り囲む外部空間が外部加熱器により加熱され、分離手段の内部の空間が、シリコン析出が起きる反応領域となるように、シリコン粒子層の内部に、管状分離手段が設置される。この方法によると、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４などに説明されるとおり、加熱領域でシリコン粒子が下部に移動し、これらが反応ガスにより反応領域の上部に移動することで、継続的に循環する流動層が形成される。しかし、この方法は下記のような問題を持つ。反応領域と加熱領域に同心円状に区分する分離手段の直径は、加熱領域の外部直径より小さいため、シリコン析出と堆積が、反応領域に露出される分離手段の内表面に激しく発生し、反応器を長時間運転することが難しくなる。また、円周方向に沿ったシリコン粒子の循環が不均一であるため、前記方法は大量生産に適していない。
【００１４】
流動層反応器の内部空間を加熱領域と反応領域に区分する別の方法として、上部及び下部空間が、反応ガスの出口の高さを基準として、各々反応領域と加熱領域に区分され得るように、シリコン粒子層に反応ガス供給部の反応ガスの出口を位置させることができる。前記加熱領域内のシリコン粒子は、前記反応領域の反応温度を維持するために加熱される。この方法によると、前記加熱領域内のシリコン粒子の全部または一部が流動されるように、水素のようなシリコン析出を起こさない流動ガスが、反応器の下部から上部に供給される。更に、前記反応領域内のシリコン粒子は、反応ガスにより流動される。シリコン粒子が２つの領域の接触部分で互いに混合されるため、熱が加熱領域から反応領域に継続的に伝達される。これに関して、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９及び特許文献１０には、シリコン粒子層の空間を、反応領域と加熱領域に区分し、加熱領域を電気抵抗加熱器、マイクロ波加熱手段などを利用した従来の方法により加熱することで、反応領域の内部の反応温度を維持する方法を開示している。しかしながら、流動層反応器の生産性の問題、すなわち大容量の反応器についての所定の反応温度にシリコン粒子層を維持することが難しいという事実を考慮して、流動層反応器を利用した多結晶シリコンの大量生産において、加熱領域をより効率的に加熱することができる方法が要求される。更に、加熱領域内の、高速で流れる流動ガスを加熱するには大量のエネルギーの使用を要するため、シリコン粒子の加熱は非効率的となる。
【００１５】
これに関し、特許文献１１は、加熱領域にシリコン粒子の流動が起きることなく、流動ガスが反応温度以上に加熱され得るように、シリコン粒子層内の上部空間と下部空間を反応領域と加熱領域に区分し、加熱器で加熱された加熱管が加熱領域に少量の流動ガスを供給する、流動層反応システムを提案している。シリコン粒子が加熱領域と反応領域の接触部分で周期的に互いに混合され得るように、パルス生成装置がシリコン粒子を前後に振動させることで、析出反応温度は維持される。特許文献１１で提案されたパルス生成装置を利用してシリコン粒子層に振動による物理的衝撃を加えると、加熱領域と反応領域でシリコン粒子の一部が強制的に混合されてしまう。しかし、この方法では、大容量の反応器内の２つの領域の温度差を最小化しながら粒子を均一に混合することは難しい。化学工程で一般的に使用される他の成分とは異なり、流動層反応器の構成要素の材料選択においては制限がある。特に、シリコン粒子と接触する反応管は、高純度多結晶シリコンの製造で不純物汚染の原因となってはならない。多結晶シリコンの製造用流動層反応器の本質的な構成要素である反応器は、常に高温の流動するシリコン粒子と接触しているため、一般的に、不純物汚染を防止するために高純度の石英またはケイ素で作られる。シリコン粒子の流動により起こる不規則な振動と強い応力により、反応管は機械的衝撃に対して脆弱である。従って、特許文献１１に開示されたパルス生成装置を利用してシリコン粒子層に周期的に物理的衝撃を加えると、反応管の安定性を著しく毀損させ、流動層反応器の運転を安全に持続させることは難しい。
【００１６】
従って、前述した問題を解決することができ、流動層反応器の機械的安定性に影響を及ぼすことなく、反応領域内の反応温度を安定的に維持し得る加熱領域の構成とこれらの操作方法は、粒状の多結晶シリコンの大量生産のための必須条件である。さらに、反応圧力を増加させて流動層反応器の生産性を著しく向上させるためには、十分な熱の供給が必要である。加熱領域での熱負荷を最大化することで、加熱領域から供給される熱が、反応領域に効果的に活用され得るように、流動層反応器を構成し、操作することが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開昭５９−４５９１７号
【特許文献２】米国特許第４，４１６，９１４号（１９８３年）
【特許文献３】米国特許第４，９９２，２４５号（１９９１年）
【特許文献４】米国特許第５，１６５，９０８号（１９９２年）
【特許文献５】米国特許第５，３７４，４１３号（１９９４年）
【特許文献６】米国特許第５，３８２，４１２号（１９９５年）
【特許文献７】米国特許第６，００７，８６９号（１９９９年）
【特許文献８】米国特許第６，５４１，３７７号（２００３年）
【特許文献９】米国特許第７，０２９，６３２号（２００６年）
【特許文献１０】特開第２００１−１４６４１２号
【特許文献１１】米国特許第６，８２７，７８６号（２００４年）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
従って、本発明の目的の一つは、流動層反応器の機械的安定性を毀損することなく、粒状の多結晶シリコンの形成に要求される熱を十分に供給することによって、シリコン析出条件を安定に維持することにより、流動層反応器の生産性を改善することが可能な方法と装置を提供することである。
【００１９】
前記目的を達成するために、本発明の発明者は、粒状の多結晶シリコン用流動層反応器の構成と運転は下記条件を満足させることが好ましいという実験的結果に基づいて本発明を完成するに至った。
（１）反応管内部にシリコン粒子層を形成する空間は、反応ガス供給部により反応領域と加熱領域に区分されなければならない。
（２）反応領域でのシリコン析出反応に必要な熱は、加熱領域のシリコン粒子と、この領域を継続的に通過する流動ガスを、加熱領域の内部空間に設置された内部加熱器を利用して、共に加熱することにより供給される。
（３）加熱領域に供給された熱が反応領域に迅速に伝達され得るように、反応領域と加熱領域との間のシリコン粒子は、持続的に流動状態で混合される必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前記目的を達成するために、本発明は、反応器シェルの内部に設置された加熱領域と加熱領域上の反応領域とを含む内部空間を有する反応管内部に、シリコン粒子層を形成し；前記反応ガス供給部と前記反応管の内壁との間の空間に設置された内部加熱器を利用した電気抵抗加熱を遂行し、流動ガスを前記反応器シェルに供給し、反応ガスを前記反応器シェルに供給し；および排ガスを、前記流動層反応器の外部に排出することを含む、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法を提供する。
【００２１】
選択的に、前記反応ガス供給部と前記反応間の内壁との間の空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を使用して、充填層が形成され得る。
【００２２】
選択的に、前記シリコン製品粒子は、前記充填材料との間に形成された空間に滞留するか、移動した後、前記粒子排出部によって前記流動層反応器の外部に排出され得る。
【００２３】
好ましい実施形態においては、反応温度は、６００〜１，２００℃の範囲内に維持される。
【００２４】
好ましい実施形態においては、前記内部加熱器は、１つまたは複数個の加熱器ユニットを含む。前記各加熱器ユニットは、電気抵抗加熱が発生する抵抗体を含む。前記抵抗体による前記シリコン粒子の汚染を防止または最小化するために、前記抵抗体は保護管の内部に設置され得る。その代りに、１つまたは複数の分離層が前記抵抗体の表面に形成され得る。あるいは、前記加熱器ユニットは、前記抵抗体の上に分離層を形成し、保護管で取り囲むことで構成され得る。
【００２５】
好ましい実施形態においては、前記流動ガスは、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を含むことができる。
【００２６】
好ましい実施形態においては、前記反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種のケイ素含有成分を含むことができる。
【００２７】
選択的に、前記反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含むことができる。
【００２８】
選択的に、前記流動層反応器の外部に製造されたシリコン種晶は、前記反応管に供給され得る。
【００２９】
好ましい実施形態においては、単位時間当り前記加熱領域に供給される前記流動ガスの供給速度は、前記シリコン粒子が、前記反応ガスを供給することなく、前記反応領域内において、反応温度範囲で流動され始める、最小の流動状態における供給速度の１．０〜５．０倍である。
【００３０】
選択的に、加熱領域に露出される前記反応ガス供給部は、前記反応ガスノズルが保護され得るように、１つまたは複数のノズルが、前記反応ガスを供給するための反応ガスノズルを取り囲む同軸多重管の形態に構成される。
【００３１】
選択的に、前記反応ガスノズルの内壁面におけるシリコン析出物の堆積が防止され得るように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を含む不活性ガスが、同軸多重管の環状領域に流れる。
【００３２】
選択的に、前記反応ガスノズルの出口におけるシリコン析出物の堆積を防止するため、または形成されたシリコン析出部を除去するために、前記不活性ガスに、連続的、断続的、または周期的に、塩化水素が添加され得る。
【００３３】
好ましい実施形態においては、反応管は、前記反応器シェルの内部空間が、前記反応管内部に形成された内部領域と、前記反応器シェルと前記反応管との間に形成された外部領域に分けられており、前記内部領域には、前記シリコン層が存在し、前記反応領域と加熱領域が含まれ、一方前記外部領域には、前記シリコン層が存在せず、シリコン析出が生じない。
【００３４】
選択的に、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された不活性ガスが、外部領域に導入される。
【００３５】
好ましい実施形態においては、前記外部領域の圧力Ｐｏと前記内部領域の圧力Ｐｉの差が、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持される。
【００３６】
選択的に、前記外部領域の圧力Ｐｏ、または前記内部領域の圧力Ｐｉは、絶対圧力で１〜２０バールの範囲内に維持される。
【００３７】
選択的に、前記内部領域を加熱するために、前記内部加熱器に加えて補助加熱器が、前記外部領域に備え付けられる。
【００３８】
選択的に、前記補助加熱器の熱負荷は、前記内部加熱器の熱負荷の１０〜１００％の範囲内である。
【００３９】
選択的に、前記反応管の内部は、前記内部加熱器に加えてマイクロ波により加熱される。
【００４０】
本発明の目的を達成するために、粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器は：加熱領域と加熱領域上の反応領域とを含む内部空間を有する反応管と；前記反応管を取り囲む反応器シェルと；前記反応管内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガスを供給する流動ガス供給部と；前記シリコン粒子層の内部に設置され、前記シリコン粒子層内へのシリコン析出に必要な反応ガスを供給する反応ガス供給部と；前記反応ガス供給部と前記反応管の内壁との間の空間に設置され、前記流動ガスとシリコン粒子とを加熱する内部加熱器と；排ガスを前記反応器シェルの外部に排出するガス排出部；及び、前記反応管内に形成された前記シリコン粒子の一部を、排出する粒子排出部とを具備する。好ましい実施形態においては、前記反応領域および前記加熱領域は、前記反応ガスの出口の高さが基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管の上部空間および下部空間に相当する。好ましい実施形態においては、前記シリコン粒子は、前記充填材料の間に形成された空間に滞留するか、前記空間を通じて移動した後、前記粒子排出部によって排出される。
【００４１】
選択的に、充填材料の充填層は、前記加熱領域に具備され、前記反応管の内壁、前記流動ガス供給部、前記反応ガス供給部及び内部加熱器により取り囲まれる空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を利用して形成される。
【００４２】
好ましい実施形態においては、前記反応管の内部空間は、前記シリコン粒子層が存在し、シリコン析出が起こる内部領域を含み、一方、前記反応管と前記反応器シェルとの間の空間は、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない外部領域を含む。
【００４３】
好ましい実施形態においては、前記反応器シェルは、炭素鋼及びステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属で製造され得る。
【００４４】
好ましい実施形態においては、前記反応管は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択された単一成分物質または複数の物質で製造され得る。
【００４５】
選択的に、前記反応管は、単一層またはその厚さ方向において、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる。
【００４６】
好ましい実施形態においては、前記充填材料は、平均直径が５ｍｍ〜５０ｍｍであり、球体、ビーズ、ボール、顆粒、破片（ｆｒａｇｍｅｎｔ）、塊、楕円体、多面体、小石（ｐｅｂｂｌｅ）、ぺレット、リングまたは小塊、及びこれらの混合からなる群から選択された形態を有する。
【００４７】
好ましい実施形態においては、前記内部加熱器は、１つのまたは複数個の加熱器ユニットを含む。
【００４８】
選択的に、前記加熱器ユニットは、直列及び／または並列に、電気的に相互に接続される。
【００４９】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットは、前記反応器シェルに結合された電気接続器を通して、電力供給源と電気的に接続される。
【００５０】
好ましい実施形態においては、前記電気接続器は、前記反応器シェルの内部及び／または外部に設置された電極を含む。前記電極を通じて、前記加熱器ユニットは、電気的に直列及び／または並列に相互接続される。
【００５１】
選択的に、前記電極は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された少なくとも１種の金属元素からなる金属または合金で製作されるか、表面が炭化ケイ素として処理された黒鉛で製造され得る。
【００５２】
選択的に、前記内部加熱器に加えて、補助加熱器が、前記外部領域に更に設置され得る。選択的に、前記補助加熱器の熱負荷は、前記内部加熱器の熱負荷の１０〜１００％の範囲内である。
【００５３】
選択的に、前記内部加熱器に加えて、マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝達する導波管、またはマイクロ波発生器をさらに含み、前記道波管又は前記マイクロ波発生器は、前記内部領域内のシリコン粒子を加熱するために、マイクロ波を供給する前記反応器シェルに結合される。
【００５４】
好ましい実施形態においては、前記流動ガス供給部は、前記加熱領域の下部に前記流動ガスを分散するための、複数の穴を有する格子形板かディスクまたは円錐形板の形態を有するガス分散板、またはガス分散アッセンブリを具備し、および／または複数の流動ガス供給ノズルを具備する
【００５５】
選択的に、前記加熱領域に露出される前記反応ガス供給部は、前記反応ガス供給用ガスノズルが、１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成される。選択的に前記同軸多重管の環状領域に、不活性ガスが流れる。選択的に、前記不活性ガスに連続的に、断続的に、または周期的に塩化水素が添加される。
【００５６】
選択的に、前記粒子排出部は、同軸多重管の形態で、前記反応ガス供給部と共に、または前記反応ガス供給部と別に独立した形態で構成される。
【００５７】
選択的に、前記流動ガス供給部と、前記反応ガス供給部と、前記粒子排出部とのうち少なくとも一つは、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された物質で製造される。
【００５８】
選択的に、前記流動ガス供給部と、前記反応ガス供給部と前記粒子排出部とのうち少なくとも一つは、単一成分物質、またはその厚さ方向において、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる。
【００５９】
選択的に、本発明の装置は、前記外部領域を十分不活性ガス雰囲気に維持する不活性ガス接続器、前記内部領域の圧力Ｐｉ及び／または外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御する圧力制御部、前記外部領域の圧力Ｐｏ及び前記内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲に維持する圧力差制御器を含む。
【００６０】
選択的に、前記外部領域に断熱材が設置される。
【００６１】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットに含まれ、厚さ方向に電気抵抗加熱が発生する抵抗体は、円形、楕円形または多角形の断面を有する棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または同心円形、同心楕円形または同心多角形の断面を有する導管、チューブ、シリンダー及びダクトの形態であり、前記断面の形状及び／または大きさが長さ方向に沿って不変または可変である。
【００６１】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットに含まれ、電気抵抗加熱が発生する抵抗体は、円形、楕円形または多角形の断面を有する棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または同心円形、同心楕円形または同心多角形の断面を有する導管、チューブ、シリンダー及びダクトの形態であり、前記断面の形状及び／または大きさが長さ方向に沿って不変または可変である。
【００６２】
選択的に、前記抵抗体は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１種または２種の物質で製造される。
【００６３】
選択的に、前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される。
【００６４】
選択的に、前記抵抗体は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属で製造される。
【００６５】
好ましい実施形態においては、前記加熱器ユニットは、前記抵抗体の外部に保護管を設置するか、１つのまたは複数の分離層を前記抵抗体の表面に形成するか、または前記抵抗体上に前記分離層を形成した後、前記抵抗体の外部に保護管を設置して構成される。
【００６６】
選択的に、前記保護管は、その厚さ方向に、同心円形、楕円形または多角形の断面を持つ。
【００６７】
選択的に、前記分離層と前記保護管とのうち少なくとも一つは、それぞれ異なる障壁成分からなる１〜５の層を含み得る。
【００６８】
好ましい実施形態においては、前記障壁成分は、前記抵抗体から前記シリコン粒子及び／または前記流動ガスへの不純物の移動を防止する成分を含む。
【００６９】
好ましい実施形態においては、前記障壁成分は、電気絶縁成分を含む。選択的には、前記障壁成分は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）の窒化物、酸化物、炭化物または酸窒化物を含む。
【００７０】
選択的に、前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びこれらの混合物からなる群から選択される１種または複数個の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む。
【００７１】
選択的に、前記分離層の厚さは、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であり、および／または前記保護管の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内である。
【００７２】
選択的に、前記分離層は、ケイ素を障壁成分とし、１μｍ〜５ｍｍ範囲内の厚さを有するシリコン層を更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
この発明の上記及び他の特徴について、特定の実施例に関して以下のような添付図面に図示し説明する。
【図１】本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンの形成方法を概略的に示した例示図である。
【図２】本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンの形成方法を概略的に示した別の例示図である。
【図３】本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した例示図である。
【図４】本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した別の例示図である。
【図５】マイクロ波発生器が内部領域に更に追加された、本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンを形成するための流動層反応器の構成を概略的に示した例示図である。
【図６】抵抗体の断面が円形または同心円形である、本発明の実施例によるＵ型の内部加熱器の断面を概略的に示した例示図である。
【図７】本発明の実施例による放射管型の内部加熱器の断面を概略的に示した例示図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
次に、本発明の実施例について、添付図面を参照して更に詳しく説明する。
【００７５】
本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンの形成方法は、図１または図２に概略的に図示されているように、反応管２が反応器シェル１の内部に垂直に設置され、シリコン粒子３が前記反応管２内に存在し、前記反応管２の内部空間は反応領域Ｚｒ及び加熱領域Ｚｈを含む点に基づく。
【００７６】
本発明の実施例の流動層反応器に供給されるガスは、シリコン粒子層の下部に設置された流動ガス供給部１４から加熱領域Ｚｈを経て反応領域Ｚｒに流れる流動ガス１０と、反応ガス供給部１５から反応ガスの出口を経て反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１を含む。
【００７７】
更に、本発明の実施例の流動層反応器において、流動ガス１０を供給する流動ガス供給部１４上に形成され、シリコン粒子層内にシリコン析出に必要な反応ガス１１を供給するために設置される反応ガス供給部１５の反応ガスの出口は、前記反応管２の内部領域４内の上部空間と下部空間が、各々反応領域Ｚｒ及び加熱領域Ｚｈと定義され得るように、流動ガス供給部１４の流動ガスの出口より高く位置される。
【００７８】
反応ガス供給部１５の内部に流れる反応ガス１１は、約３００〜３５０℃の範囲内の初期分解温度より低くなければならないため、反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１の温度は、シリコン析出に必要な、６００〜１，２００℃の範囲内の反応温度より低くなければならない。
【００７９】
本発明の実施例によると、反応温度を維持するために必要なシリコン粒子３及び流動ガス１０の加熱は、主に、反応管２の内部で反応領域Ｚｒと空間的に接続される加熱領域Ｚｈで行われる。
【００８０】
シリコン析出用流動層反応器の生産性は、多様な反応条件により決定される。どのような場合でも、反応領域Ｚｒの温度、すなわち反応領域Ｚｒで流動するシリコン粒子３の温度は、あらかじめ決定された温度範囲内にとどまらなければならない。
【００８１】
従って、反応ガス１１の供給に伴うシリコン粒子の冷却、シリコン析出による反応熱、反応管２の外部への熱損失などを考慮すると、シリコン析出に必要な反応温度を維持するために、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒに、多量の熱が素早く伝達される必要がある。
【００８２】
持続的な加熱という要求を満足させる理想的な方法は、反応領域Ｚｒに直接加熱のための加熱器を設置することである。しかし、この方法は、高温の加熱器の表面と反応ガス１１が接触することにより、シリコン析出が加熱器の表面に過剰に起こるため、実際に適用することはできない。
【００８３】
従って、所定の反応温度、圧力とガス成分において、単位時間当りの反応ガスの供給量を増加させながら流動層反応器の生産性を向上するためは、単位時間当りの加熱領域Ｚｈの熱負荷が十分であることが要求される。
【００８４】
本発明の実施例は、反応ガス供給部１５と反応管２の内壁との間に設置された加熱領域Ｚｈにおいて、内部加熱器８ａを利用した電気抵抗加熱を通して流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱することに重点を置く。
【００８５】
本発明の実施例は、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、シリコン粒子が持続的に流動状態で互いに混合され得るように、流動ガス１０が連続的に供給されることをも特徴とする。結果として、加熱領域Ｚｈに供給される熱は、反応領域Ｚｒに速い速度で伝達され、反応領域Ｚｒ内の反応温度は、所定の反応温度範囲内に維持され得る。
【００８６】
本発明の実施例により、反応領域Ｚｒが加熱領域Ｚｈを通して加熱されると、反応ガス供給部１５を通して反応ガス１１を供給することで、反応領域Ｚｒでのシリコン析出反応により大きいサイズのシリコン粒子の形成が可能となる。
【００８７】
反応領域Ｚｒに供給された反応ガス１１の大部分または一部は、反応により反応副生成物ガスに転換されるが、一部は未反応反応ガスとして残り得る。
【００８８】
従って、反応領域Ｚｒを通過する排ガスは、加熱領域Ｚｈを通過した流動ガス１０、未反応反応ガス１１、反応副生成物ガスなどを含み、排ガス１３は、内部領域４の内部に堆積されないように、ガス排出部１７を利用して流動層反応器の外部に排出されることが必要である。
【００８９】
排ガス１３により運ばれた細かいシリコン粉末または高分子量の反応副生成物は、排ガス処理部３４により分離される。前記排ガス処理部３４は、粉末分離機、フィルター、充填塔、気体洗浄器、遠心分離機、またはこれらの組み合わせからなる。図２または図３に図示されるように、前記排ガス処理部３４は、反応器シェル１の内部領域の上部空間４ｃに設置されるか、反応器シェル１の外部に、流動層反応器と別途に設置され得る。
【００９０】
前記排ガス処理部３４により分離されたシリコン粉末は、他の目的のために活用されるか、または、シリコン粒子の製造のための種晶３ａとして、反応器内部領域４に再循環されることもできる。
【００９１】
シリコン析出反応が進むと、シリコン粒子３の平均サイズ及びシリコン粒子層の高さが次第に増加する。従って、シリコン粒子層を許容範囲内に維持しながら粒状の多結晶シリコンを連続的または半連続的に形成するために、シリコン粒子３の一部をシリコン製品粒子３ｂとして、粒子排出部１６を利用して流動層反応器の外部に排出することが必要である。
【００９２】
以上説明した通り、本発明の実施例は、流動層反応器を利用して粒状の多結晶シリコンを形成する方法を提供する。前記流動層反応器において、反応ガス供給部１５が、反応器シェル１内に垂直に設置された反応器２の内部に流動ガス１０を供給する流動ガス供給部１４上に形成されるシリコン粒子層内に、シリコン析出に必要な反応ガス１１を供給する。前記反応ガス供給部１５の反応ガスの出口は、前記反応ガスの出口の高さを基準として、前記反応管２の内部領域３内の上部空間と下部空間が反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈに各々区分され得るように、流動ガス供給部１４の流動ガスの出口より高く位置される。前記流動層反応器を利用して粒状の多結晶シリコンを形成する方法は、次のような段階を含む。反応ガス供給部１５と反応管２の内壁との間の空間に設置された内部加熱器８ａを利用して、加熱領域Ｚｈにおいて、電気抵抗加熱を通して流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱し；シリコン粒子が反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、持続的に、流動状態で互いに混合され得るように流動ガス１０を供給することで、反応領域Ｚｒの反応温度を所定の反応温度範囲内に維持し；反応領域Ｚｒにおけるシリコン析出により、シリコン粒子のサイズが増加し得るように、反応ガス供給部１５を利用して反応ガス１１を供給し；ガス排出部１７を利用して、反応領域Ｚｒを通過する流動ガス１０、未反応反応ガス１１、反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出し；粒子排出部１６を利用して、シリコン粒子３の一部をシリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出する段階を含む。
【００９３】
加熱領域Ｚｈにおいて、上部を流れるシリコン粒子３と流動ガス１０が内部加熱器８ａにより加熱されるため、高さとともに温度が増加する。
【００９４】        
一般的に、流動ガス１０は、流動層反応器の外部に設置された予熱器を利用して予熱した後、流動ガス供給部１４に供給されるか、ガス予熱部が、流動ガス供給部１４に設置され得る。また、室温で加熱領域Ｚｈに流動ガスを供給し、内部加熱器８ａにより加熱することも可能である。不純物汚染、熱損失の問題などを考慮すると、流動ガス１０は約２００〜３００℃以下に予熱され得る。
【００９５】
予熱に関係なく、流動ガス１０は、加熱領域Ｚｈを通過する間に、反応温度またはそれ以上の温度まで加熱される必要がある。従って、内部加熱器８ａの熱負荷は、流動ガス１０の流量が増加するに従って増加する。
【００９６】
本発明の実施例により、シリコン粒子が、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で、持続的に、流動状態で互いに混合されるようにする流動ガス１０の供給において、加熱領域Ｚｈの上部における、流動ガスの流速、即ちｕｈ値（ｃｍ／ｓｅｃ）は、シリコン粒子の平均サイズに該当する最小流動化速度（ｕｍｆ）より高くなければならない。
【００９７】
この目的のために、加熱領域Ｚｈの下部に単位時間当り供給される流動ガス１０の流量、即ちＦ値（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）は、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒにより多くの熱を供給するために増加し得る。
【００９８】
しかし、内部加熱器８ａの熱負荷が十分ではないにも関わらず、Ｆ値（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）が極端に増加すると、流動ガス１０を反応温度、またはそれ以上の温度に加熱することが難しくなる。
【００９９】
内部加熱器８ａが十分な熱負荷を有するため、流動ガス１０が十分に加熱されても、反応ガス１１が不要な流動ガス１０と混合され、結果的にスラッギング（ｓｌｕｇｇｉｎｇ）、またはシリコン粒子が不必要なほどの高温で反応領域Ｚｒに流動することによる他の問題は、シリコン析出の低下を引き起こす。
【０１００】
加熱領域Ｚｈの上部で必要なｕｈ値を小さいＦ値で得るために、加熱領域Ｚｈを取り囲む反応管２の内径は減少され得る。しかし、この場合、内部加熱器８ａ、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６などを設置する空間は十分ではない。
【０１０１】
更に、小さいＦ値は、加熱領域Ｚｈ、特に比較的温度が低い下部空間で、シリコン粒子が十分に流動されず、内部加熱器８ａによる流動ガス１０及びシリコン粒子３の加熱も不十分であり、流動ガス１０の流れも不均一となるという結果をもたらす。
【０１０２】
このような問題を最小化しながらＦ値を減らすために、加熱領域Ｚｈの内部空間で流動ガス１０が流れる断面空間を最小化すると同時に、加熱領域Ｚｈに供給された熱を反応領域Ｚｒに早く伝達することが必要である。
【０１０３】
図２に概略的に図示されるように、充填層は、加熱領域に含まれ、反応管２の内壁、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５及び内部加熱器８ａにより取り囲まれる空間の全体または一部に、流動ガス１０が充填層を通過しながら加熱され得るように、流動ガス１０の流れにより流動されない充填材料２２を利用して形成される。
【０１０４】
充填材料２２を利用して加熱領域Ｚｈに形成された充填層は、流動ガス１０がほぼ均一に分散されること、および充填材料２２の間に形成された空間で、流動ガス１０とシリコン粒子３の接触する機会の増加を確実にする。
【０１０５】
更に、充填材料２２は内部加熱器８ａの表面積を増加させることで、シリコン粒子３と流動ガス１０をより効果的に加熱し、高温の加熱領域から反応器シェル１の下部に伝達される熱を最小化することができる。
【０１０６】
更に、図２に概略的に図示されるように、シリコン析出工程において、シリコン粒子は、充填材料２２の間に形成された空間に滞留するか、移動した後、加熱領域Ｚｈから流動層反応器の外部に断続的、周期的、または連続的に、シリコン製品粒子３ｂとして、必要に応じて排出され得る。
【０１０７】
この、加熱領域Ｚｈの下部に位置された流動ガス供給部１４により相対的に低い温度で供給された流動ガス１０によるシリコン製品粒子３ｂが冷却される機会の著しい増加は、シリコン製品粒子３ｂの更なる冷却という負荷を軽減させる。
【０１０８】
シリコン粒子が連続的に流動される反応領域Ｚｒの単一温度を特定することは不可能であるため、温度の変動が観察される。従って、特定値の代りに、所定の、許容可能な範囲に反応温度を処理することが必要である。
【０１０９】
本発明の実施例によれば、内部加熱器８ａは、反応領域Ｚｒでの反応温度範囲が６００〜１，２００℃の範囲内で維持され得るように、シリコン粒子３と流動ガス１０を加熱領域Ｚｈで加熱し得なければならない。
【０１１０】
より明確な反応温度の範囲は、様々な圧力及び温度、流動ガス１０と反応ガス１１の成分及び組成、供給速度及び予熱温度、反応温度の測定基準などによる予備実験から容易に事前に定められ得る。
【０１１１】
反応温度は様々な方法で測定され得る。例えば、反応領域Ｚｒの内部、反応管２の外壁面または反応器の上部の温度は、熱電対またはパイロメーターのような測定器を利用して直接測定され得る。一方、反応温度は、排ガス１３の組成を分析することで間接的に推定され得る。
【０１１２】
反応領域Ｚｒで所定の範囲内に反応温度を維持するために、加熱領域Ｚｈで流動ガス１０とシリコン粒子３を、反応温度より高い温度まで加熱することができる。
【０１１３】
加熱領域Ｚｈでの電気加熱のために、内部加熱器８ａは各々の加熱ユニットが電気抵抗加熱が発生する抵抗体を含む、１つまたは複数個の加熱器ユニットを含み得る。
【０１１４】
図１、図２及び図５は、それぞれ、２つの加熱器ユニットを含む内部加熱器８ａを図示している。空間がさらに利用できるならば、熱負荷を増加するため、より多くの加熱器ユニットが設置され得る。
【０１１５】
各加熱器ユニットは、シリコン粒子層で高温のシリコン粒子３と流動ガス１０と接触せざるを得ないため、高純度多結晶シリコンの形成のためには、抵抗体３８による粒子の汚染を最小化し、または防止することが重要である。
【０１１６】
本発明の実施例において、抵抗体３８によるシリコン粒子３の汚染を防止または最小化するために、（i）抵抗体３８は保護管４０に設置されるか；（ii）それぞれ異なる障壁成分からなる１つまたは複数の分離層３９が抵抗体３８の表面に形成されるか；または（iii）前記分離層３９が形成された抵抗体３８の外部に保護管４０が形成される。
【０１１７】
加熱領域Ｚｈの上部の温度は、流動ガス供給部１４の流動ガスの出口の温度より高いため、本発明の実施例に従って、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈのシリコン粒子が持続的に、流動状態で互いに混合される流速で流動ガス１０が供給されたにもかかわらず、加熱領域Ｚｈの下部におけるシリコン粒子が流動されないことがあり得る。
【０１１８】
本発明の実施例において、シリコン粒子３の流動とは、シリコン粒子の空間的位置が、ガスの流れ、ガス気泡の移動や変化、及び／または周辺粒子の移動により短時間で変化され得ることを意味する。
【０１１９】
シリコン粒子と反応を引き起こさない非反応性ガスが、流動ガス１０として一般的に使用され、それらは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスの中から選択され得る。
【０１２０】
流動ガス１０は、前記非反応性ガス成分より密度と粘度が高いガス成分を更に含み得る。特に、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、塩化水素（ＨＣｌ）などのようなＳｉ−Ｈ−Ｃｌ系塩素化合物成分が前記目的として使用され得る。
【０１２１】
流動ガス１０が非反応性ガスと塩素化合物を含む場合、加熱領域Ｚｈで得られた温度範囲内で、高純度シリコン粒子３と流動ガス１０との間にシリコン析出またはシリコンエッチングの明らかな発生を避けるために、熱力学的平衡分析または予備実験を通して、塩素化合物の許容濃度範囲を決定する必要がある。
【０１２２】
従って、本発明の実施例で使用される流動ガス１０は、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、及び塩化水素の中から選択された１つまたは複数の成分を含み得る。
【０１２３】
反応領域Ｚｒに供給される反応ガス１１は、シリコン析出反応を通した粒状の多結晶シリコン製品を形成するＳｉ元素の供給源であるため、Ｓｉ元素含有成分を含まなければならない。
【０１２４】
本発明の実施例で使用される反応ガス１１は、Ｓｉ元素を含有する成分としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ３）、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）の中から選択される１つまたは複数の成分を含み得る。
【０１２５】
本発明の実施例で使用される反応ガス１１は、シリコン析出源としては、前述したシラン化合物などのみを含み得、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素（ＨＣｌ）、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含み得る。従って、反応ガス１１は、シリコン析出源を提供し、流動ガス１０と共に反応領域Ｚｒでのシリコン粒子３の流動に寄与する。
【０１２６】
本発明の実施例による粒状の多結晶シリコンの連続的または半連続的形成において、流動層を構成するシリコン粒子３の個数と平均粒子サイズを一定範囲内に維持することが要求される。従って、製品として排出されるシリコン製品粒子３ｂの個数に相応する種晶３ａを、反応管２の内部領域４に供給することができる。
【０１２７】
前述した通り、排ガス処理部３４により分離されたシリコン微粒子または粉末の一部は種晶として再活用され得る。しかし、その量が限られており、サイズが非常に小さいため、シリコン粒子の連続生産のためには、シリコン種晶の追加的な製造が不可避である。
【０１２８】
これと関連して、製品粒子３ｂからサイズが小さいシリコン粒子を分離し、これを種晶３ａとして使用することも考慮され得る。しかし、流動層反応器の外部で製品粒子３ｂからサイズが小さい種晶３ａを分離する工程は、不純物汚染の可能性があるため、複雑で、慎重な処理を必要とする。
【０１２９】
このような製品粒子３ｂを分離する追加の工程に代り、サイズが小さいシリコン粒子がシリコン粒子層の内部に戻りながら、製品粒子３ｂが上部方向に流れるガスによって冷却され得るように、粒子排出部１６の粒子排出経路に沿って分離手段をさらに含み得、それによって、種晶供給の負担を軽減させ、製品粒子３ｂの平均粒径を増大させ、同時に粒径分布を減少させる。
【０１３０】
シリコン製品粒子３ｂから種晶３ａを製造する一般的な方法は、粒子排出部１６を経て排出されるシリコン製品粒子３ｂのうち一部を、粉砕装置を利用して粉砕することである。このように流動層反応器の外部で製造されたシリコン種晶３ａは、種晶供給部１８を利用して反応管に供給され得る。
【０１３１】
図２に図示されているように、反応器シェル１ｂに結合されて設置された種晶供給部１８は、種晶３ａを反応器の内部領域４に、連続的、周期的、または断続的に必要に応じて供給することができる。この方法は、種晶３ａのサイズ及び供給量を必要に応じて制御することができるという長所があるが、付加的な粉砕設備が必要とされる。
【０１３２】
反面、反応ガス供給部１５に設置された反応ガス供給ノズル、流動ガス供給部１４に設置された流動ガス供給ノズル、またはシリコン粒子層の内部のシリコン粒子を種晶に粉砕するために別途に設置された粒子粉砕ガスノズルを利用した、シリコン粒子層の内部で、高速のガス噴射が発生する。
【０１３３】
このような種晶３ａを内部領域４で製造する方法は、シリコン粒子の温度が容易粉砕に十分な高温となっているため、シリコン粒子が、ガスノズルの出口で下位の超音波ガスの速度においてさえ容易に粉砕されるという長所がある。この方法は、種晶３ａが不純物汚染なくシリコン粒子層に経済的に製造され得るという長所を持つため、粉砕装置を必要としない。しかし、種晶３ａのサイズ及び生成量を必要範囲内で制御することが難しく、種晶３ａとして活用され得ない微細粉末が大量に生成される可能性がある。
【０１３４】
前述した通り、シリコン種晶３ａの製造及び供給方法において各々長所と短所を持っている。種晶３ａは、製品粒子３ｂのサイズの半分またはそれ以下となる約０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲内の平均サイズを有するのが好ましい。
【０１３５】
種晶３ａの平均サイズが０．２ｍｍより小さい場合、供給される種晶３ａの量は減少するが、種晶３ａは流動ガス１０、反応ガス１１または排ガス１３により容易に排出され得る。対照的に、平均サイズが０．８ｍｍより大きい場合、非常に大量の種晶３ａが供給されなければならない。
【０１３６】
反応領域Ｚｒでシリコン粒子３の成長速度を向上させるために、反応領域Ｚｒでの反応温度は、製品粒子３ｂの生成速度を最大化するために、所定の反応温度内に維持されなければならない。
【０１３７】
この目的のために、シリコン粒子が、過度な供給速度をともなわず、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈとの間で持続的に、流動状態で互いに混合され得るように、単位時間当りの加熱領域Ｚｈに供給される流動ガス１０の供給速度、即ち、Ｆ（ｍｏｌｅｓ／ｓｅｃ）値を設定することが必要である。
【０１３８】
シリコン粒子層での粒子の流動の程度は、温度だけでなく、反応ガス１１の供給速度によって決定されるため、流動ガス１０の流速（ｕ；ｃｍ／ｓｅｃ）またはＦ値を、反応ガス１１が供給されない状態と、反応温度範囲内での最小流動化状態となる流速ｕｍｆまたはこれに該当するＦ値、すなわちＦｍｆ値を基準として設定することが好ましい。
【０１３９】
本発明の実施例によると、単位時間当りの加熱領域Ｚｈに供給される流動ガス１０の供給速度（Ｆ；ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）は、反応ガスを供給することなく、反応領域Ｚｒでのシリコン粒子が前記反応温度範囲内で流動され始める最小流動化状態となる供給速度Ｆｍｆの１．０〜５．０倍の範囲内であることが好ましい。
【０１４０】
Ｆ値がＦｍｆより小さい場合、流動ガス１０の供給速度と内部加熱器８ａの熱負荷は減少するが、加熱領域Ｚｈでの加熱速度が低減し、２つの領域Ｚｈ，Ｚｒの間での粒子の相互混合が不十分となるため、それ故に、熱伝達効率が低くなり、反応温度の維持が困難となる。
【０１４１】
反面、Ｆ値が５倍のＦｍｆより大きい場合、加熱領域Ｚｈでの流動ガス１０の加熱速度は速くなり得るが、内部加熱器８ａの熱負荷が増加し、反応領域Ｚｒにおけるガスの流速が非常に高くなることでスラッギング現象が発生するため、シリコン析出の効率が低下する。
【０１４２】
シリコン粒子層の内部に設置される反応ガス供給部１５は、反応領域Ｚｒに反応ガス１１を安定的に継続供給することができるような様々な構造で構成され得る。
【０１４３】
例えば、反応ガス供給部１５は、加熱領域Ｚｈに設置されたチューブ型反応ガスノズルのみを含む。ノズルの壁は、内部加熱器８ａによる放射加熱、または高温のシリコン粒子３に接触することにより加熱され、ノズルの内壁温度は、初期分解温度である約３００〜３５０℃以上に維持され得る。このことは、ノズルの内壁にシリコン析出と堆積を自然に引き起こす。また、単一管の形態に設置される場合、ノズルは、シリコン粒子３の流動により発生する衝撃及び／または振動により毀損され得る。
【０１４４】
このような問題を防止するために、図２または図４に概略的に図示するように、反応ガス供給部１５は、反応ガス１１を供給するための反応ガスノズルと、同軸多重管構造の１つまたは複数個のノズルを含み得る。１つまたは複数個のノズルは、反応ガスノズルを取り囲み、反応ガスノズルの保護を提供する。
【０１４５】
図２に図示するように、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２は、反応ガスノズルの内壁面にシリコン析出物の堆積を防止し、機械的脆弱性を補完するために、同軸多重管の環状領域に沿って反応ガスノズルを保護するためのガスとして導入され得る。
【０１４６】
前記反応ガスノズル保護用ガスの供給速度は、流動ガス１０や反応ガス１１に比べて非常に低くても構わない。シリコン粒子が同軸多重管の前記環状領域に存在しても、反応ガスノズル保護用ガスは、反応ガスノズルの不必要な過熱を防止することができる。
【０１４７】
そして、反応ガスノズル保護用ガスに供給される不活性ガス１２に塩化水素を連続的、断続的、または周期的に追加することで、前記反応ガスノズルの出口にシリコン析出物が堆積されるのを防止し、または既に形成されたシリコン析出物を除去することができる。このような目的で、非常に多くの塩化水素が供給されると、反応領域Ｚｒ内のシリコン粒子３でさえエッチング反応によって塩化シランに気化され得る。従って、塩化水素の供給量が過多とならないように留意する必要がある。
【０１４８】
本発明の実施例によって流動層反応器が加熱領域Ｚｈの内部に設置される内部加熱器８ａにより加熱されると、従来の加熱方法と比べて多くの熱量が反応領域Ｚｒに供給され得る。従って、流動層反応器の生産性が、高圧力下で単位時間当りの反応ガス１１の供給速度を高めることで著しく向上され得る。
【０１４９】
高圧力下におけるシリコン析出のためには、加熱方法の改善に加えて、流動層反応器の機械的安定性、特に流動層内の高温のシリコン粒子に露出される反応管２の機械的安定性を確保することが必要である。
【０１５０】
本発明の実施例において、高圧力下でシリコン析出を行うために、図２、図３及び図４に概略的に図示するように、流動層反応器は、反応管２が反応器シェル１の内部に垂直に設置され、反応器シェル１により取り囲まれるように構成される。その結果、反応管の内部空間は、シリコン粒子３層が存在し、加熱領域Ｚｈと反応領域Ｚｒの両方が含まれる内部領域と定義される。更に、外部領域５は、シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が起きない反応管２と反応管シェル１との間の空間とされる。
【０１５１】
このように反応器シェル１の内部空間が反応管２により区分される理由は、反応管２の両側の圧力差が小さい場合、反応管２の機械的安定性が高い反応圧力下でも確保され得るためである。
【０１５２】
更に、高圧力下でのシリコン析出工程において、内部領域４に存在するシリコン粒子が外部領域５の外部の不純物により汚染されることを防止するために、図３及び図５に概略的に図示されているように、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスの中から選択された不活性ガス１２が外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するため外部領域５に導入される。
【０１５３】
外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持し、圧力を制御するために、多量の不活性ガス１２を供給する必要はない。
【０１５４】
従って、外部領域５内の不活性ガスの流れは、少量の不活性ガス１２を連続的、断続的、または周期的に外部領域５に供給することで得られる。
【０１５５】
本発明の実施例によると、外部領域５の圧力と内部領域４の圧力が各々、外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉで表される場合、２つの領域の圧力差（ΔＰ＝｜Ｐｏ−Ｐｉ｜）は、高圧力下におけるシリコン析出工程で、反応管２の安定性を確保するために、１バール以内に維持される。
【０１５６】
この方法によると、反応管２の安定性を毀損することなく、ＰｉまたはＰｏ値が無限に増加し得るが、反応圧力が絶対圧力で約２０バールを超過する場合、内部加熱器８ａに要求される熱負荷が、時間単位当りの流動ガス１０の供給速度（ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）と反応ガス１１に対して非常に大きくなり、反応温度の維持が実際的に不可能となる。
【０１５７】
従って、本発明の実施例の流動層反応器の加熱において、外部領域５の圧力Ｐｏまたは内部領域４の圧力Ｐｉを絶対圧力で１〜２０バール範囲内に維持することが好ましい。
【０１５８】
反応管２の直径が非常に大きい大量生産用流動層反応器を利用した、高圧下でのシリコン析出運転においては、内部加熱器８ａのみで反応温度を維持することが難しい場合は、内部領域Ｚｈを加熱するために、内部領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａに加えて補助加熱器８ｂが外部領域５に設置され得る。
【０１５９】
図３及び図４には、内部領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａに加えて、外部領域５に設置された補助加熱器８ｂを概略的に図示している。
【０１６０】
シリコン析出反応において、追加的な加熱のために、補助加熱器８ｂが内部領域４に設置される場合、反応管２の外部に設置される補助加熱器８ｂの加熱効率が、シリコン粒子層の内部に設置される内部加熱器８ａに比べて劣るため、補助加熱器８ｂの熱負荷が内部加熱器８ａの熱負荷の１００％を超過しないことが好ましい。
【０１６１】
補助加熱器８ｂの熱負荷が内部加熱器８ａの熱負荷の１０％より低い場合、補助加熱器８ｂの追加は、加熱領域Ｚｈの加熱において意義のある効果を提供せず、経済性の面で考慮されない。
【０１６２】
従って、補助加熱器８ｂがシリコン析出反応に使用するため外部領域５に設置される場合、補助加熱器８ｂの熱負荷が、内部領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａの熱負荷の１０〜１００％の範囲内であることが好ましい。
【０１６３】
しかし、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ'の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ'は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応領域Ｚｒに反応ガスを供給し、反応器加熱開始する前にシリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転で反応管２の内壁面に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０１６４】
図３及び図４は、シリコン析出操作の間のシリコン析出物Ｄの形成において、反応領域Ｚｒを囲む反応管２の内壁にシリコン析出反応が起こる事例を概略的に図示している。反応領域Ｚｒ内の反応管２の壁が外部領域５に設置された補助加熱器８ｂで加熱される場合、シリコン析出物Ｄの形成速度が非常に速くなる。
【０１６５】
従って、補助加熱器８ｂが活用される場合、反応ガス１１が存在する反応領域Ｚｒを取り囲む反応管の壁が補助加熱器８ｂにより不必要に加熱されないように、補助加熱器８ｂの高さは、加熱領域Ｚｈの高さ、即ち反応ガスの出口の高さより低くすることが好ましい。
【０１６６】
加熱領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給する補助加熱器８ｂを外部領域５に設置する代りに、内部領域４に電磁放射エネルギーを供給して、シリコン粒子３を加熱することも可能である。
【０１６７】
反応管２の直径が大きい流動層反応器のためには、様々な電磁放射エネルギーの中でマイクロ波が最も効果的である。
【０１６８】
本発明によって、内部領域４を加熱するために、マイクロ波３７が内部加熱器８ａと共に活用される場合、マイクロ波３７の供給は多様な方法で実施され得る。
【０１６９】
例えば、図５に示すように、電気エネルギーからマグネトロンのようなマイクロ波発生器３５ａにより発生したマイクロ波３７を伝達する金属導波管３６は反応器シェル１に接続され得る。一方、シリコン粒子３を加熱するためのマイクロ波３７を内部領域４に供給するために、導波管を使用せずに、１つまたは複数個のマイクロ波発生器３５ｂが、反応管シェル１と結合されて設置され得る。
【０１７０】
これによると、加熱領域Ｚｈの内部空間に設置される内部加熱器８ａに加えて、反応器の外部または反応器シェル１の内部で発生したマイクロ波３７を利用して内部領域４を加熱することが可能である。
【０１７１】
内部領域４のマイクロ波の加熱のために、マイクロ波３７は内部領域４の上部から反応領域Ｚｒに供給されるか、または反応管２のマイクロ波透過性壁を通して加熱領域Ｚｈに伝達され得る。
【０１７２】
そして、マイクロ波発生器３５または導波管３６は、制限なく、反応器シェル１のいずれの位置にも設けられ得る。
【０１７３】
図５に概略的に図示されているように、マイクロ波発生器３５ａにより発生したマイクロ波３７は、反応器シェル１と接続された導波管３６を通して反応器に伝達され、反応管２のマイクロ波透過性壁を通して加熱領域Ｚｈに供給され得る。一方、導波管３６を使用せずに、マイクロ波は、反応器シェル１と結合して外部領域５に設置されたマイクロ波発生器３５ｂにより反応器シェル１の内部に発生し、反応管２の壁を通して加熱領域Ｚｈ及び／または反応領域Ｚｒに供給されることもできる。
【０１７４】
外部領域５での補助加熱器８ｂの設置または活用の有無に関わらず、マイクロ波の加熱は、反応器加熱始動の間で、反応領域Ｚｒに反応ガスを供給する前にシリコン粒子３層を加熱するか、またはシリコン析出物の除去工程の前または途中で、シリコン析出運転の間反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０１７５】
以下、本発明の目的を達成するため、粒状の多結晶シリコン形成のための流動層反応器について、添付図面を参照して詳しく説明する。
【０１７６】
本発明の実施例の流動層反応器では、反応器の内部空間は反応器シェル１により反応器の外部空間から遮断される。
【０１７７】
前記反応器シェル１は、反応器の内部空間に垂直に設置された反応器２を取り囲む。
【０１７８】
好ましくは、前記反応器シェル１は、炭素鋼とステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属または遷移金属元素を更に含む多様な合金から製造され、それにより、優れた機械的強度と良好な加工性を持つ。
【０１７９】
装置の製作、組立及び解体を考慮して、前記反応器シェル１は、図１〜図４の１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄなどに例示されるように、様々な要素からなる。
【０１８０】
前記反応器の内部が外部空間から完全に遮断され得るように、ガスケットまたは封止物質を利用して反応器シェル１の要素を組み立てることが重要である。
【０１８１】
前記反応器シェル１の各要素は、円筒形パイプ、フランジ、チューブ及びフィッティング部材、板、円錐、楕円またはジャケットを含む多様な形態を持つ。
【０１８２】
各金属要素には、その内部表面に保護膜、ライナー(ｌｉｎｅｒ)または保護壁が設置され得る。前記保護膜、ライナー(ｌｉｎｅｒ)または保護壁は、金属材質、または有機高分子、セラミック、石英などのような非金属材質で製造され得る。
【０１８３】
図１〜図４の１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄなどに例示されるように、反応器シェル１の要素の一部は、装置保護、熱膨張の防止、作業者の保護、事故防止などの目的のため、水、オイル、ガス、空気などのような冷却媒体を使用して、一定温度範囲以下に維持されることが好ましい。
【０１８４】
図面に図示されていないが、冷却が必要な反応器シェル１の要素は、その要素の内部もしくは外部を冷却媒体が循環することができるように設計され得る。このような冷却の代りに、作業者の保護及び過多な熱損失の防止のために、反応器シェル１の外部表面に、更に断熱材を設けることもできる。
【０１８５】
本発明の実施例に使用される反応管２は、反応管シェル１により固定され得るのであれば、どのような形態でも良い。
【０１８６】
反応管２は、図１〜図３に図示された単純な直管や、チューブ、円錐及び／または楕円部分を含む構造であり得る。図４に概略的に図示されるように、反応管の一先端部分がフランジの形態に加工され得る。更に、前記反応管２が複数の部分からなり、このうち一部は反応器シェル１の内壁にライナー(ｌｉｎｅｒ)の形態で形成されても良い。
【０１８７】
反応管２は、高温による変形に耐え得る無機材料で作られることが好ましい。材料は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択された単一成分材料または複数の材料で作られることができる。
【０１８８】
このような炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素などの炭素含有材料は、多結晶シリコン粒子を汚染する可能性があり、炭素含有材料が反応管に使用される場合は、シリコン粒子３，３ａ，３ｂが接触し得る反応管２の内壁を、ケイ素、二酸化ケイ素、石英、窒化ケイ素などのような材料で塗布または裏打ちすることで、反応管２の厚さ方向に複数の層が形成され得る。
【０１８９】
従って、本発明の実施例に使用される反応管２は、単一成分材質の形態の材料、即ち、単層またはその厚さ方向に各層が異なる材質である複数の層からなり得る。
【０１９０】
反応管２の内部領域４において、シリコン粒子層は、流動ガス１０を供給する流動ガス供給部１４の上に形成される。
【０１９１】
シリコン粒子３は、球、楕円体、多面体、ビーズ、顆粒、チップ、断片などを含む多様な形態を持つ。
【０１９２】
シリコン粒子３を粉砕することで得られる種晶３ａは主に、角が鋭い半球、半楕円体、半多面体、チップまたは断片の形態である。しかし、シリコン析出が進められるにつれて、粒子サイズが増加し、鋭い角部分が滑らかになる。
【０１９３】
長いシリコン析出により粒子サイズが更に増大すると、粒子が最終的に球形に近くなる。
【０１９４】
シリコン析出に必要な反応ガス１１をシリコン粒子層の内部に供給する必要があるため、反応器シェル１に結合された反応ガス１１を供給するための反応ガス供給部１５は、シリコン粒子層の内部まで延長される必要がある。
【０１９５】
１つまたは複数個の、同一の反応ガス供給ユニットを含む反応ガス供給部１５は、反応器の外部に位置する反応ガス製造及び／または、貯蔵及び／または供給システムとも接続されなければならない。
【０１９６】
従って、本発明の実施例の反応ガス供給部１５は、シリコン粒子層の内部に位置された部分に加えて、反応管２の外部及び／または反応器シェル１の内部空間と外部空間に位置する部分も更に含む。
【０１９７】
反応ガス供給部１５において、シリコン粒子層の内部に位置された部分は、反応管２と垂直にまたは斜めに接続され得る。
【０１９８】
しかし、反応管２及び反応ガス供給部１５の機械的安定性と、反応器の組立及び解体の容易性を考慮すると、反応ガス供給部１５はシリコン粒子層の内部で垂直に設置されることが好ましい。
【０１９９】
反応ガス供給部１５に設置された１ヶ所または複数の反応ガスの出口は、流動ガス供給部１４に設置された１ヶ所または複数の流動ガスの出口より上に位置されている。
【０２００】
その結果、反応管２の内部領域４が、基準高さとしての、反応ガスの出口で、上部及び下部空間に区分される。内部領域４の上部空間および下部空間はそれぞれ反応領域Ｚｒおよび加熱領域Ｚｈと定義される。
【０２０１】
本発明の流動層反応器において、シリコン析出は、シリコン析出工程の間、反応ガス１１が存在する反応領域Ｚｒ内のシリコン粒子３の表面に起き、流動ガス１０とシリコン粒子３は、流動ガス１０が流れる加熱領域Ｚｈで加熱される。
【０２０２】
このように、反応領域Ｚｒと加熱領域Ｚｈは内部領域４の構造によりそれらの機能が異なり、反応管２の内部空間における高さに基づいて定義される。従って、２つの領域間を物理的に分離するための、反応ガス供給部１５以外の機械的手段は必要ない。
【０２０３】
従って、加熱領域Ｚｈの下部で流動ガス供給部１４により供給された流動ガス１０は、加熱領域を通過し、反応領域Ｚｒへ上向きに流れる。
【０２０４】
本発明の実施例においては、反応管２と内部加熱領域８ａと、反応ガス供給部１５との間に空間が形成される。この空間で、反応領域と加熱領域との間で互いに混合される粒子が持続的に、流動状態で維持されるように、流動ガス１０とシリコン粒子３が内部加熱器８ａの電気抵抗加熱により加熱される。従って、流動ガス１０とシリコン粒子３を加熱する内部加熱器８ａは、反応ガス供給部１５と反応管２の内壁面との間に、反応ガスの出口の高さより高くならないように設置される。その結果、内部加熱器８ａが反応ガス１１と直接接触できず、シリコンは、内部加熱器８ａの高温の表面に析出または堆積されない。
【０２０５】
流動層反応器を利用して多結晶シリコンを連続的にまたは半連続的に形成する際、反応管に供給されたガス及び析出反応で発生したガスが反応管２の内部に堆積され得ないように、排出する必要がある。
【０２０６】
同様に、過剰なシリコン粒子３が反応管２の内部に堆積され得ないように、シリコン析出によって、反応管２の内部に生成されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして反応器の外部に排出することが必要である。
【０２０７】
従って、流動層反応器は、ガス排出部１７と粒子排出部１６とを含む。ガス排出部１７は、反応領域Ｚｒを通過する流動ガス１０、未反応反応ガス１１及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出する。粒子排出部１６は、シリコン析出によって反応管２の内部で製造されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出する。
【０２０８】
前述した通り、本発明の実施例による流動層反応器は、反応管２と、反応器シェル１と、流動ガス供給部１４と、反応ガス供給部１５と、内部加熱器８ａと、ガス排出部１７と、粒子排出部１６とを含む。反応器シェル１は、前記反応管２を取り囲む。流動ガス供給部１４は、前記反応管２の内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガス１０を供給する。反応ガス供給部１５は、反応ガス供給部１５の反応ガスの出口が流動ガス供給部１４より高く位置され得るように、シリコン粒子層３内にシリコン析出に必要な反応ガス１１を供給するために、シリコン粒子層３の内部に垂直に設置される。内部加熱器８ａは、反応ガス供給部と反応管２の内壁面との間の空間に設置される。反応領域Ｚｒおよび加熱領域Ｚｈは、前記反応ガスの出口が基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管２の上部空間及び下部空間に相当する。空間は反応管２、内部加熱器８ａ及び反応ガス供給部１５との間に形成され、その中で、前記反応領域Ｚｒと前記加熱領域Ｚｈとの間の粒子の混合が連続的に、流動状態に維持されるように、流動ガス１０とシリコン粒子３が内部加熱器８ａの電気抵抗加熱により加熱される。ガス排出部１７は、反応領域Ｚｒを通過する流動ガス、未反応反応ガス及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３を流動層反応器の外部に排出する。粒子排出部１６は、シリコン析出により前記反応管２に形成されたシリコン粒子３の一部を、シリコン製品粒子３ｂとして流動層反応器の外部に排出する。
【０２０９】
前述した通り、流動ガス１０が充填層を通過する間に加熱され得るように、前記加熱領域Ｚｈの空間の一部または全体に流動ガス１０の流れにより流動されない充填材料２２で充填層が形成され得る。
【０２１０】
充填材料２２を流動層反応器に活用しようとする場合、反応管２の内壁、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５及び内部加熱器８ａにより取り囲まれた空間の全体または一部に充填層を形成することが必要である。
【０２１１】
好ましくは、本発明の実施例に使用される充填材料２２の平均直径Ｄｆは、５〜５０ｍｍの範囲内である。
【０２１２】
Ｄｆ値が５ｍｍより小さい場合、必要とする充填材料２２の個数が非常に多く、充填材料２２との間の空間が非常に小さくなり、シリコン粒子３と流動ガス１０が流れることが難しくなる。
【０２１３】
反面、Ｄｆ値が５０ｍｍより大きい場合、必要とする充填材料２２の個数が非常に少なく、内部加熱器８ａを設置するための加熱領域Ｚｈの空間が不十分となり、流動ガス１０の分散などのような充填材料２２の活用効果が大きく毀損される。
【０２１４】
充填材料２２は、球、ビーズ、ボール、顆粒、断片、塊、楕円体、多面体、小石（ｐｅｂｂｌｅ）、ペレット、リングまたは小塊などの中から選択されたいずれかの形態であり得る。
【０２１５】
好ましくはシリコン粒子３と流動ガス１０を充填材料２２により汚染されることを防止するために、充填材料２２は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物の中から選択される１種または複数の成分から製造される。
【０２１６】
最も好ましくは充填材料２２は、球形態に加工された高純度シリコンである。
【０２１７】
炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素などの炭素含有成分を含む充填材料２２の場合、シリコン粒子３及び流動ガス１０が炭素不純物により汚染され得る。従って、充填材料２２が炭素含有材料を含む場合は、表面は、ケイ素、二酸化ケイ素、石英、窒化ケイ素などのような材料で塗布または裏打ちされ、充填材料２２の厚さ方向に、各層が異なる材料からなる複数の層を形成する。
【０２１８】
従って、本発明の実施例で使用される充填材料２２は、単一成分材料またはその厚さ方向に各層が異なる材料からなる複数の層からなり得る。
【０２１９】
充填材料２２が多孔性構造である場合、衝撃に弱くなり、容易に磨耗して不純物微粒子を生成する。従って、充填材料２２は、少なくとも物質の表面における気孔を最小化し、高密度であることが好ましい。
【０２２０】
本発明の実施例で使用される充填材料２２の材質、構造、表面処理及び製造方法は、物理的性質と機械的強度の検査だけでなく、小規模実験装置を利用した不純物汚染と最適条件の実験的検証を通して決定されることが好ましい。
【０２２１】
本発明の実施例の反応器加熱方法を利用すると、必要な熱量は、反応領域Ｚｒに容易に供給され得る。従って、流動層反応器の生産性は、高圧下で単位時間当りの反応ガス１１の供給速度（ｍｏｌｅ／ｓｅｃ）を高めることで、著しく向上され得る。
【０２２２】
高圧下でシリコン析出を行うためには、加熱方法の改善に加えて、流動層反応器の機械的安定性、特に流動層で高温のシリコン粒子に持続的に露出される反応管２の機械的安定性を確保する必要がある。
【０２２３】
本発明の実施例において、高圧下でのシリコン析出を可能にする一つの方法として、流動層反応器は、図２、図３及び図４に概略的に図示しているように、反応管２が反応器シェル１により取り囲まれるように、反応器シェル１の内部に垂直に設置されるように構成される。その結果、反応管２の内部空間は、シリコン粒子３層が存在し、加熱領域Ｚｈと反応領域Ｚｒの両方が含まれる内部領域４と定義される。更に、反応管２と反応器シェル１との間の空間は、シリコン層が存在せず、分解が起きない外部領域５と定義される。
【０２２４】
反応器シェル１の内部空間が反応管２により区分される理由は、反応管２の両側の圧力差が小さい場合、反応管２の機械的安定性が高圧下においてさえ確保され得るからである。
【０２２５】
加熱領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａは１つまたは複数個の加熱器ユニットを含む。
【０２２６】
反応器の生産性を向上するために要求される加熱領域Ｚｈでの熱負荷が、加熱領域Ｚｈの内部空間に設置される加熱器ユニットの個数、即ち内部加熱器８ａの表面を増加させるため、設置空間的に許容されさえすれば、加熱領域Ｚｈに設置される加熱器ユニットの個数に特別な制約はない。
【０２２７】
内部加熱器８ａが複数個の加熱器ユニットを含む場合、この加熱器ユニットは電気的に互いに独立させることも可能である。しかしながら、それらを電気的に直列及び／または並列に接続するほうがより効率的かつ経済的である。
【０２２８】
図１及び図２は、内部加熱器８ａが２つの加熱器ユニットを含み、加熱器ユニットが電力供給源Ｅと独立的に接続される場合と、電力供給源Ｅと直列に相互接続される場合を各々例示している。加熱領域Ｚｈが大きくなるほど、熱負荷を増加するための加熱器ユニットがより多く設置され得る。
【０２２９】
前記加熱器ユニットは、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続器９，９ａ，９'を通して電力供給源Ｅと電気的に接続され、電気抵抗加熱によって反応器を加熱することができる。
【０２３０】
流動層反応器の外部に設置された電力供給源Ｅは、１つまたは複数の電力変換装置、配電箱、測定及び制御部などから選択され得る。内部加熱器８ａに供給される電流は、ＤＣまたはＡＣのいずれかであり得る。通常、電流は数百〜千アンペアの範囲である。
【０２３１】
好ましくは、電力供給源から内部加熱器８ａに供給される電力は、反応領域Ｚｒ及び／または加熱領域Ｚｈの温度が所定の範囲内に維持されるように制御される。
【０２３２】
内部加熱器８ａと電力供給源Ｅの電気接続を提供するために、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続器９，９ａ，９'は、各加熱器ユニット別に設置されることもできる。一方、いくつかのまたは全部の加熱器ユニットと接続されるように設置されることもできる。
【０２３３】
本発明において、電気抵抗加熱が行われる間、反応器シェル１と結合されて設置される電気接続器９，９ａ，９'は、高温まで加熱されないことが好ましい。
【０２３４】
従って、電気接続器９，９ａ，９'は、自発的な抵抗加熱を減少、または所定の温度以下に冷却させることができる電極部を含むことが望ましい。前記電極部は加熱器ユニットと電気的に接続されることができさえすれば、反応器シェル１の内部及び／または外部のいずれの位置に設置されても構わない。
【０２３５】
加熱器ユニットに電気を供給することにより抵抗加熱を実施するために、加熱器ユニットは１対の電極部と接続されなければならない。複数個の加熱器ユニットは、対応する電極部を通して電気的に相互接続され得る。
【０２３６】
従って、本発明の実施例の電気接続器９，９ａ，９'は、反応器シェル１の内部及び／または外部に設置される電極部を含み、加熱器ユニットは、前記電極部により電気的に直列及び／または並列に相互接続され得る。
【０２３７】
電気接続器９，９ａ，９'は、以下の構成要素を一部または全部含み得る。（i）電気抵抗が低く発熱が少ない金属導体で製作された電極；（ii）ケーブル、バー、チューブ、シャフト、導管、成形物などの電力伝達部と電極を接続する接続器；（iii）個別加熱器ユニットを物理的に支持し、電極部を支持する一方で、電極部と電力伝達部を電気的に接続する炭素系材質の支持体またはチャック；（iv）電極部または前記支持体をガス、水、オイルなどの冷媒で冷却するための冷却手段；（v）反応器シェル１を含む金属材質との電気絶縁のための絶縁手段；及び（vi）前述した構成要素の接続、封止、絶縁または組立のための部品、フィッティング部材など
【０２３８】
頻繁に、内部加熱器８ａを構成する抵抗体３８自体が電極として使用される。一方、別の材料または大きさが抵抗加熱を減少させるために選択され得る。
【０２３９】
電極部の形態及び大きさは、加熱領域Ｚｈの直径及び許容空間、加熱器ユニットの個数と空間的配置、電極部や電力伝達部に許容される空間、内部抵抗加熱を減少するのに必要な断面積などを考慮して決定されなければならない。
【０２４０】
電極部は、反応器シェル１の側面及び／または下部に設置され得る。構造を考慮すると、内部加熱器８ａの電極部はシェル１下部の内部または外部に設置されることが好ましい。
【０２４１】
本発明の実施例においては、電極部は電力供給源と加熱器ユニットとの間を電気的に接続する。各加熱器ユニットに対して、１対の電極部が加熱器ユニットの入力端子と出力端子となる。電極部の相互接続または電気回路的構成は、加熱器ユニットの空間的配置と電力供給源Ｅの定められた仕様により予め定められる。
【０２４２】
電極部は互いに分離して設置され、電力伝達部に別途に接続されることもできる。一方、電力伝達部すなわち電極接続器は、複数の電極部を電気的に接続するために設置され得る。
【０２４３】
図２及び図５は、反応器シェル１の内部に設置された電極接続器９’が２つの加熱器ユニットを電気的に接続する場合を例示している。前述した通り、電極接続器９’は反応器シェル１の外部空間に、またはシェル１と結合するように設置され得る。
【０２４４】
この電極接続器は、激しい抵抗加熱を防止する抵抗体３８（図６及び図７）と同一材料で製作され得る。また、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素を含む金属または合金で製作されるか、または黒鉛で製作した後、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などの機能性セラミック層を塗布することもできる。ここで、電極部及び／または電極接続器の、反応器シェル１の金属材質からの絶縁を防止することが必要である。
【０２４５】
電極部の一部は、高温の加熱領域Ｚｈの下部に露出され、電気絶縁または封止材の保護が必要であるため、金属材質の電極、絶縁部品またはこれと結合される反応器シェル１の全体または一部が冷媒を循環させることで冷却されることが好ましい。
【０２４６】
電極部は、電極接続器と同様に、激しい抵抗加熱を防止し得る仕様に応じて抵抗体３８と同一材料で製作され得る。あるいは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素を含む金属または合金で製作され得る。また、表面が炭化ケイ素で処理された黒鉛で製作し、電気絶縁及び／または不純物汚染の防止のために塗布されるか裏打ちされ得る。
【０２４７】
流動層反応器は、加熱領域Ｚｈに設置された内部加熱器８ａだけで加熱され得る。しかしながら、前記内部加熱器８ａに加えて補助加熱器８ｂが、内部領域４に熱を供給するために外部領域５に更に設置され得る。
【０２４８】
内部加熱器８ａと同様に、補助加熱器８ｂも１つまたは複数個の加熱器ユニットからなり、反応器の加熱は、反応器シェル１と結合された電力供給源Ｅと接続された電気接続器９，９’，９ａを利用して電気抵抗加熱により行われ得る。
【０２４９】
この場合、補助加熱器８ｂの加熱器ユニットは、内部加熱器８ａの加熱器ユニットから電気的に独立しているか、内部加熱器８ａの加熱器ユニットから電気的に直列及び／または並列に相互接続され得る。図３及び図４に図示されているように、これらは、電気接続器９，９’，９ａ及び／または電力供給源Ｅを共有することができ、また、互いに独立することもできる。
【０２５０】
前述したとおり、シリコン析出の間の補助加熱器８ｂ，８ｂ’の使用の有無に関わらず、前記補助加熱器８ｂ，８ｂ’は、シリコン析出物の除去工程の前または途中で、反応器開始操作中、反応領域Ｚｒに反応ガス１１を供給する前に、シリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン析出運転のあいだ反応管２の内壁に堆積されたシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するために使用され得る。
【０２５１】
補助加熱器８ｂが反応器の加熱開始段階でシリコン粒子３層を加熱するために使用される場合、図３に図示されるように、補助加熱器８ｂの高さには特別な制限がない。
【０２５２】
しかし、反応領域Ｚｒに反応ガス１１が供給されるシリコン析出の間、内部加熱器８ａの熱負荷を超過しない熱付加を有する補助加熱器８ｂが使用される場合、反応管２の内壁にシリコン析出物Ｄの堆積の速度が増加することができないように、図４に図示されるように、補助加熱器８ｂの高さを限定することが好ましい。より安全なのは、補助加熱器８ｂが加熱領域Ｚｈの高さ以下に設置されることである。
【０２５３】
図３及び図４に図示されるように、シリコン析出物Ｄの形成が過剰となる位置に設置される補助加熱器８ｂ，８ｂ’は、シリコン析出工程では使用せず、反応器の加熱開始段階でシリコン粒子３層を加熱するか、および／またはシリコン堆積物の除去段階の前にまたは途中でシリコン析出物Ｄを選択的に加熱するときに使用され得る。
【０２５４】
前述した通り、加熱領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａに加えて、内部領域４に熱量を供給するために、補助加熱器８ｂが外部領域５に設置され得る。しかし、このような補助加熱の代りに、シリコン粒子３を加熱するために、内部領域４に電磁放射エネルギーが供給され得る。
【０２５５】
反応管２の直径が大きい流動層反応器のためには、様々な電磁放射エネルギーの中でマイクロ波が最も効果的である。
【０２５６】
本発明の実施例において、導波管３６は、マイクロ波発生器３５を利用して電気エネルギーから発生したマイクロ波３７を伝達する。前記導波管３６、またはマイクロ波発生器３５が、前記内部領域４にマイクロ波３７を供給して前記シリコン粒子３を加熱するために、反応器シェル１と結合して設置され得る。
【０２５７】
マグネトロンのようなマイクロ波発生器が反応器シェル１と結合して設置され（図５の図面符号３５ｂ参照）、電力が電力供給源Ｅから供給されると、マイクロ波３７はシェル１の内部に直接放射され、導波管３６は必要とされない。しかし、各マイクロ波発生器の容量が限られており、機械的安定性が良くないため、多数のマイクロ波発生器が必要であるという問題がある。マイクロ波発生器３５が導波管３６により反応器シェル１と結合されて反応器の外部に設置される場合、必要な容量が高い信頼性で得られるが、費用が非常に高くなる。
【０２５８】
マイクロ波３７は、内部領域４の上部、即ち、ガス排出部１７などが設置される反応器シェル１の覆い部分（図２の１ｂまたは図３及び図４の１ｄ）から反応領域Ｚｒの下部に供給され得る。反応管２がマイクロ波を透過する石英、窒化ケイ素などで製作される場合、マイクロ波３７は反応管２のマイクロ波透過壁を通して加熱領域Ｚｈに供給され得る。
【０２５９】
マイクロ波の加熱は、外部領域５における補助加熱器８ｂの設置または利用の可否に関わらず、反応器の加熱開始段階におけるシリコン粒子３の加熱、または、析出操作の間に、反応管２の内壁面に堆積したシリコン析出物Ｄを、シリコン析出物の除去工程の前にまたは途中で選択的に加熱するのに活用され得る。
【０２６０】
本発明の実施例において、シリコン粒子３層の内部にそれぞれ流動ガス１０及び反応ガス１１を供給するための流動ガス供給部１４及び反応ガス供給部１５は、チューブ、ノズル、平板、ディスクまたは円錐形板、チャンバー、フランジ、フィッティング部材、ライナー(ｌｉｎｅｒ)、成形品、ガスケットなどの中から選択された構成要素を含み得る。
【０２６１】
本発明の実施例で使用される流動ガス１０は、加熱領域Ｚｈから反応領域Ｚｒへの熱の供給において重要な役割を果たす。
【０２６２】
加熱領域Ｚｈの下部に設置される流動ガス供給部１４は、平板、ディスクまたは円錐形板の形態のガス分散板、または加熱領域Ｚｈの下部で流動ガス１０を十分に均一に分散するための複数の穴を有するガス分散アッセンブリを含み得、および／または形態または構造に制限がない複数の流動ガス供給ノズルを含む。
【０２６３】
本発明の実施例による、流動ガス供給部１４の流動ガスの出口よりも高い、反応ガス供給部１５の反応ガスの出口の配置は、加熱領域Ｚｈによる反応器の加熱に加えて、加熱領域Ｚｈに露出される流動ガス供給部１４の表面にシリコンが析出される問題を防止するという利点を有する。
【０２６４】
シリコン析出反応に必要な流動ガス１０は、流動ガス供給部１４の構成によって多様な形態で供給され得る。
【０２６５】
図１は、ガス分散板を使用することなく、複数のノズル型ガス分散部１９により、流動ガスが加熱領域Ｚｈの内部に供給される流動ガス供給部１４の構成を例示している。流動ガス１０の流れが反応管２の断面直径に実質的に均等に分散され得るように、複数ノズル型流動ガス分散部１９が配置されることが好ましい。
【０２６６】
図２及び図３は、流動ガスチャンバー１９’に供給される流動ガス１０が、円板型ガス分散部１９を通して均等に分散されながら加熱領域Ｚｈに提供される流動ガス供給部１４の構成を例示している。
【０２６７】
前記流動ガスチャンバー１９’は、反応器シェル１と結合され、必要な場合、流動ガス１０を予熱するために、流動ガスチャンバー１９’の内部が加熱され得るように構成され得る。
【０２６８】
図２及び図４に図示されるように、加熱領域Ｚｈに充填材料２２の固定層を形成し、この充填材料間に形成された空間を通して流動ガス１０を流動させることも可能であり、それにより、更なるガス分散効果が得られる。
【０２６９】
流動ガス１０の上昇する流れにより流動されない充填材料２２の固定層が、本発明の実施例により流動ガス供給部１４の上に形成される場合、この固定層は反応ガス供給部１５の反応ガスの出口より低い位置に、即ち、加熱領域Ｚｈの全体または下部の一部に形成されることが好ましい。
【０２７０】
シリコン析出に必要な反応ガス１１を反応領域Ｚｒの内部に供給する反応ガス供給部１５は、様々な形態で構成され得る。図２に例示されるように、単一反応ガスノズルまたは複数の反応ガスノズルを含み得る。あるいは、反応ガス１１を供給するための各反応ガスノズルが、加熱領域Ｚｈの内部で１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成され得る。
【０２７１】
本発明の実施例による粒子排出部１６が反応器シェル１の下部で流動ガス供給部１４と結合される場合、粒子排出部１６は反応ガス供給部１５に沿って同軸多重管の形態に設置されて組み立てられる。そのほかに、粒子排出部１６は反応ガス供給部とは別途に独立的に形成して構成され得る。
【０２７２】
加熱領域Ｚｈの体積によって、１つまたは複数の同軸多重管があり得る。流動ガス供給部と粒子排出部と関連して、反応ガス供給部１５の構造例が下記に表されている。
【０２７３】
図２は、加熱領域Ｚｈにおける同軸多重管形態として反応ガス供給部１５を構成する一例として、１セットの多重管を図示している。図に例示するように、チューブ型反応ガスノズルと保護用チューブ型保護ノズルは二重管の形態に形成され、二重管の下部が粒子排出部１６と可能な限り同軸となるように組み立てられ得る。
【０２７４】
反応ガス供給部１５は、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２が反応ガスノズルと保護ノズルとの間の環状空間を通して導入されるように構成されることが好ましい。これは、反応ガスノズルの内壁面が、シリコン析出が可能な温度まで加熱されることを防止し、これにより、反応管ノズルの内壁面における明らかなシリコン析出と堆積が防止される。
【０２７５】
更に、反応ガスノズルの出口においてシリコンが析出され、堆積されることを防止し、または既に形成されたシリコン析出物を除去するために、反応ガス供給部１５は、前記不活性ガス１２に連続的に、断続的に、または周期的に塩化水素を追加することができる装置を含み得る。
【０２７６】
反応ガスノズルを取り囲むために設置する保護ノズルが１つのみでは、シリコン析出が開始される初期分解温度以下に反応ガスノズルの内壁面の温度を維持することが難しい場合、２つ以上の保護ノズルが同軸多重管の形態で設置され得る。
【０２７７】
本発明の実施例による粒子排出部１６はどのようにも構成され得るが、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された１つまたは複数の成分を含む不活性ガス１２が、粒子排出部１６の内部にシリコン製品粒子３ｂの流れの反対方向に導入され得るように構成されることが好ましい。この不活性ガスは粒子排出部１６を通過した後、加熱領域Ｚｈの内部に導入され得る。
【０２７８】
あるいは、図３に概略的に図示されるように、反応ガスノズルは、流動ガス１０が、流動ガスチャンバー１４’に供給され、ガス分散部１９によって均等に分散させた後、加熱領域Ｚｈに供給されるようにする流動ガス供給部１４の中央に垂直に設置され得る。この反応ガスノズルの下部は、製品粒子３ｂが中央において、加熱領域Ｚｈから下方向に移動し得るように、粒子排出部１６と同軸二重管の形態で形成される。
【０２７９】
更に、図４に概略的に図示されるように、反応ガスノズルと保護ノズルは加熱領域Ｚｈにおいて同軸二重管を形成し、同軸多重管の下部分で反応ガスノズルと保護ノズルとはガス分散部１９を含む組立型流動ガス供給部１４に沿って同軸多重管を形成する。
【０２８０】
粒子排出部１６は、反応ガス供給部１５とは別途に、流動ガス供給部１４に含まれるガス分散部１９と結合されるように設置され得る。
【０２８１】
本発明の実施例による流動層反応器に設置された粒子排出部１６は、連続的または半連続的に形成された多結晶シリコン製品粒子３ｂの一部またはシリコン析出工程で形成されたその他のシリコン粒子の一部を反応器の内部領域４から排出するのに使用される。
【０２８２】
粒子排出部１６は、内部領域４からシリコン粒子３ｂを連続的に、周期的にまたは断続的に適切な時に排出されるようにすることができる。
【０２８３】
更に、図３に図示されるように、シリコン粒子３ｂが流動ガスチャンバー１４’に残っている間に冷却され、それから反応器の外部に排出されるように、付加的な空間が反応器シェル１に具備され得る。
【０２８４】
本発明の実施例によると、内部領域４から排出されたシリコン粒子３の一部、即ち、シリコン製品粒子３ｂは、反応器と直接接続された多結晶シリコン製品の貯蔵部または移送部に移送され得る。
【０２８５】
流動層反応器を使用して形成されたシリコン製品粒子３ｂは、必然的に粒子サイズの分布を持つため、ここに含まれたサイズが小さい粒子は種晶３ａとして活用され得る。
【０２８６】
従って、内部領域４から排出されるシリコン製品粒子３ｂをサイズによって分級する分級手段に移送し、大きい粒子を多結晶シリコン製品の貯蔵部または移送部に移送し、小さい粒子を種晶３ａとして活用することが可能である。
【０２８７】
前記反応器の内部領域４、即ち、シリコン粒子層の高い温度を考慮するならば、シリコン製品粒子３ｂが粒子排出部１６を通過する間、冷却されることが好ましい。従って、高温の粒子を冷却するために、水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどのようなガスが粒子排出部１６内に導入されるか、水、オイル、ガスなどの冷媒が、粒子排出部１６の壁に沿って循環される。
【０２８８】
この他にも、図式化されていないが、粒子排出部１６は、シリコン製品粒子３ｂが流動層反応器の外部に排出される前、流動層反応器に残っている間に冷却され得るように、例えば、図３の流動ガスチャンバー１４’または反応器シェル１の下部（図３の１ｂ）と結合することで、十分な空間を有する構成され得る。
【０２８９】
シリコン製品粒子３ｂが前記粒子排出部１６を通して反応器の外部に排出される間、シリコン製品粒子３ｂの不純物による汚染を防止することが必要である。従って、高温のシリコン製品粒子３ｂと接触する粒子排出部１６の構成要素において、無機材質からなるチューブ、ライナー(ｌｉｎｅｒ)または成形品を使用することが好ましい。
【０２９０】
このような粒子排出部１６の構成要素は、金属材質からなる反応器シェル１及び／またはライナーなどと結合されて固定されることが必要である。いくらか冷却された製品粒子と接触し、またはそれらの壁が冷却され得る粒子排出部１６の構成要素の内壁は、無機材質の代りに、添加剤や充填剤を含んでいない高分子材料で塗布または裏打ちされた金属材質からなるチューブ、ライナー(ｌｉｎｅｒ)または成形品を具備され得る。
【０２９１】
前述した通り、シリコン製品粒子３ｂは、反応器の内部領域４から粒子排出部１６を通して多結晶シリコン製品の貯蔵部または移送部により、連続的に、周期的にまたは断続的に排出され得る。
【０２９２】
また、反応器と製品貯蔵部との間に分級手段を設置して、シリコン製品粒子３ｂをサイズによって分類し、小さい粒子を種晶３ａとして活用することも可能である。
【０２９３】
産業的に活用される様々な粒子分級装置は、本発明の実施例において分級手段として使用され得る。好ましくは、シリコン製品粒子３ｂと接触する分級手段の構成要素は、粒子分級段階において不純物により汚染されることを防止するために、粒子排出部１６に使用される材質または添加剤や充填剤を含まない高分子材料で製造される。
【０２９４】
図２〜図４は、一つの同軸多重管セットが垂直に設置されるもっともシンプルな場合を概略的に例示しているが、このような構成は、複数の同軸多重管が加熱領域Ｚｈの内部空間に設置され、複数個の反応ガス管からなる反応ガス供給部１５を構成しようとする際にも活用され得る。
【０２９５】
前述した流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５及び／または粒子排出部１６の構成要素は、反応器シェル１に使用され得る金属に加えて、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素及びガラス状炭素の中から選択された１つまたは複数の材質で製作され得る。
【０２９６】
特に、シリコン粒子３及び／または製品粒子３ｂと接触する構成要素は、シリコン粒子３の不純物汚染を防止するために、ケイ素、窒化ケイ素、または石英などからなる単一層、または厚さ方向への複数層からなり得る。
【０２９７】
前述した通り、本発明の実施例によって反応管シェル１の内部空間が、反応管２を基準として内部領域４と外部領域５に各々定義される場合、反応管２の両側の圧力差を、操作によって低減させ、反応管２の安定性を毀損することなく反応圧力を十分に増大させることが可能である。
【０２９８】
この目的を達成するためには、流動層反応器が（i）外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するための不活性ガス接続器２６；（ii）内部領域の圧力Ｐｉ及び／または外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御するための圧力制御器；及び（iii）圧力差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持するための圧力差制御器を含むことが要求される。
【０２９９】
流動層反応器の内部領域４に、シリコン粒子４ａ層が形成され、流動ガス１０と反応ガス１１がそれぞれ、流動ガスの出口及び反応ガスの出口を通してシリコン粒子４ａ層に供給され、結果的にシリコン析出が生じる。流動層反応器の内部領域４は、流動ガス１０、未反応反応ガス１１及び反応副生成物ガスを含む排ガス１３が流れる空間を有する。
【０３００】
従って、前記内部領域４は、シリコン粒子３の流動層でシリコンが析出されることによる、多結晶シリコン粒子の形成において基本的な役割を果たす。
【０３０１】
反面、外部領域５においてはシリコン粒子３層は形成されず、反応ガス１１が流れない。従って、反応管２の外壁面と反応器シェル１との間に形成される外部領域５においては、シリコン析出反応は起きない。
【０３０２】
外部領域５は下記のような重要な役割を果たす。
【０３０３】
第１に、外部領域５は、内部領域４と外部領域５との間の圧力差を制限された範囲内に維持することで反応管２を保護するための空間を提供する。
【０３０４】
第２に、外部領域５は、反応器からの熱損失を防止または低減する断熱材６のための空間を提供する。
【０３０５】
第３に、外部領域５は、内部領域４に設置される内部加熱器８ａに加えて、反応管２の周囲に沿って設置される補助加熱器８ｂのための空間を提供する。
【０３０６】
第４に、外部領域５は、反応管２の外部を不活性ガス雰囲気に維持することにより、内部領域４の内部での爆発または腐食を誘発し得る有機または無機の気相または固相不純物を防止し、反応管２を反応器シェル１の内部に安全に設置および維持する空間を提供する。
【０３０７】
第５に、外部領域５は、外部領域接続器２８によって内部領域４に特定されるガスの成分、濃度、温度、圧力、粒子成分などの測定を可能とし、従って、反応管２の異常発生をリアルタイムで監視することが可能である。
【０３０８】
第６に、外部領域５は、図４に図示されているように、反応管２の内壁面に堆積され、シリコン析出物の除去工程による化学的な除去を要するシリコン析出物を加熱するための加熱器８ｂ’の空間を提供する。
【０３０９】
第７に、外部領域５は、反応管２と内部領域４を容易に組み立て、解体させることができる。
【０３１０】
本発明の実施例による外部領域５は様々な機能を有するため、外部領域の空間は、チューブ、板、成形物、フィッティング部材などの少なくとも１種の分割要素を利用して、上下及び／または円周方向に分割され得る。
【０３１１】
しかしながら、前記外部領域５が分割される場合、分割された空間が同一のガス雰囲気と圧力を確実にするため相互接続されることが好ましい。
【０３１２】
外部領域５には、反応管２の外部に断熱材が設置され得る。断熱材６としては、シリンダー、ブロック、織物、毛布、フェルト、発泡体、充填層などの形態で、放射と伝導による熱伝達を抑制する目的で、無機材質の断熱材が産業的に使用され得る。
【０３１３】
本発明の実施例では、内部領域４で起こるシリコン析出反応に関わらず、外部領域５を不活性ガス雰囲気に維持するために、反応器シェル１に不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂが設置される。
【０３１４】
不活性ガス１２は、水素、窒素、アルゴン及びヘリウムの中から選択された少なくとも１種であり得る。
【０３１５】
反応器シェル１に設置されて外部領域５と空間的に接続される不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂは、不活性ガス１２の供給や排出を可能とし、チューブ、ノズル、フランジ、バルブ、フィッティング部材などの中から選択された１つまたは複数の構成要素を備え得る。
【０３１６】
不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂに加えて、直接的または間接的な温度、圧力、ガス成分の測定及び制御のために、外部領域５に空間的に露出される外部領域接続器２８を、反応器シェル１に設置することも可能である。
【０３１７】
１つの不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂによって、外部領域５は、十分不活性ガス雰囲気下に維持され得る。また、２つ以上の不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂが、不活性ガスの供給と排出を独立的に実施するのに使用され得る。
【０３１８】
不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂは、外部領域５での独立的な不活性ガス雰囲気の維持だけでなく、外部領域接続器２８を活用して実施し得る流量、温度、圧力及びガス成分の測定及び制御にも活用され得る。
【０３１９】
図３及び図４は、外部領域の圧力Ｐｏが、前記不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂ及び／または外部領域接続器２８を利用して測定及び／または制御される多様な場合を例示している。
【０３２０】
不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂと別途に設置され得る外部領域接続器２８は、外部領域５の状態を測定及び制御するために設置される。
【０３２１】
また、外部領域接続器２８は、チューブ、ノズル、フランジ、バルブ、フィッティング部材などの中から選択される１または複数の構成要素を具備し得る。
【０３２２】
不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂが設置されていない場合、外部領域接続器２８が温度、圧力、ガス成分の測定及び制御だけでなく、不活性ガス１２の供給及び排出にも活用され得る。
【０３２３】
それ故、不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂと外部領域接続器２８は、型や機能の面で必ずしも区分される必要はない。
【０３２４】
位置と時間によって圧力がほぼ一定に維持され得る外部領域５とは異なり、内部領域にシリコン粒子３層が存在するため、内部領域４では必然的に圧力差が発生する。即ち、内部領域の圧力Ｐｉは内部領域４の位置によって異なる。
【０３２５】
固体粒子流動層による圧力降下は、流動層の高さにより左右されるが、流動層の高さが過剰に高くない限り、圧力降下値は通常約０．５〜１バール以下である。更に、固体粒子流動層の基本特性により、圧力は時間によって不規則に変化する。従って、内部領域の圧力Ｐｉは位置と時間によって変化し得る。
【０３２６】
このような特性を考慮して、内部領域の圧力Ｐｉを測定または制御するための内部圧力制御器は、直接的または間接的に適当な位置に設置され、内部領域４と空間的に接続される。
【０３２７】
本発明の実施例による内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、反応器の特性と制御しようとする操作変数を考慮して、多様な位置に設置され得る。
【０３２８】
内部圧力制御器は、内部領域４に空間的に直接または間接的に露出される内部領域接続器２４，２５、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６またはガス排出部１７を通して内部領域４と空間的に接続されるように設置され得る。
【０３２９】
外部圧力制御器は、外部領域５に空間的に直接または間接的に露出された、反応器シェル１に設置された外部領域接続器２８または不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂを通して外部領域５と空間的に接続されるように設置される。
【０３３０】
本発明の実施例の好ましい実施形態において、内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、圧力を直接的または間接的に測定及び／または制御するのに必要な構成要素を含む。
【０３３１】
内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、空間的接続用の接続管またはフィッティング部材；手動式、半自動式または自動式バルブ；デジタルまたはアナログ方式の圧力計または差圧計；圧力指示器または記録器；信号変換器または演算処理装置などから選択された少なくとも１種の構成要素を含み得る。
【０３３２】
内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、機械的にまたは信号回路的に相互接続され得る。また、それらは、中央制御システム、分散制御システム及び局部的制御システムのような制御部の一部または全てと接続され得る。
【０３３３】
内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、圧力に関して独立的に構成され得るが、圧力だけでなく、流量、温度、ガス成分、粒子濃度などの測定及び／または制御に必要な手段と一部または全てにおいて接続され得る。
【０３３４】
更に、前記内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器の構成要素が固体粒子などの不純物に汚染されることを防止、または圧力変化を減少させるために、制御部は粒子分離用フィルター、気体浄化装置などのような分離手段や圧力緩衝用容器を具備し得る。
【０３３５】
前記内部圧力制御器は、内部領域４に空間的に直接または間接的に露出される反応器シェル１の一部、例えば、圧力、温度またはガス成分の測定及び／または観察のために設置された内部領域接続器２４，２５に設置され得る。
【０３３６】
内部圧力制御器が内部領域接続器２４，２５と接続されるように設置されると、シリコン粒子の流動層に起因する時間による圧力変化の確認は難しいにもかかわらず、内部領域４ｃの上部空間の圧力は安定的に測定及び制御され得る。
【０３３７】
流動層に起因する時間による圧力変化を確認するために、内部領域接続器は、シリコン粒子層と空間的に接続されるように設置され得る。
【０３３８】
また、内部圧力制御器は、反応器シェルと接続されるように内部領域４と空間的に接続され得る位置、例えば、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６またはガス排出部１７と接続される位置に設置され得る。
【０３３９】
更に、内部圧力制御器は、内部領域接続器２４，２５及び内部領域４と空間的に接続され得る２ヶ所以上の位置に設置され得る。
【０３４０】
内部圧力制御器が設置される位置によって、シリコン粒子の存在により測定されるＰｉ値は異なる。本発明の発明者により遂行された実験によると、Ｐｉ値には、流動層の流動特性と流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６またはガス排出部１７の構造によるが、異なる位置において、１バール以内の変化が生じる。
【０３４１】
本発明による好ましい実施形態において、外部圧力制御器は、外部領域の圧力Ｐｏを直接または間接的に測定及び／または制御するのに適したいくつかの中から選択した場所に位置し、外部領域５と空間的に接続されるように設置される。
【０３４２】
外部圧力制御器が設置され得る位置の例としては、外部領域５に空間的に直接または間接的に露出される反応器シェル１に設置される外部領域接続器２８または不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂが含まれる。
【０３４３】
本発明の実施例において、外部領域５が不活性ガス雰囲気に維持されることが好ましい。従って、外部領域５に不活性ガス１２を供給するための不活性ガス接続器２６ａと、外部領域５から不活性ガス１２を排出するための不活性ガス接続器２６ｂを、外部領域接続器２８として利用することが可能である。
【０３４４】
従って、外部領域の圧力Ｐｏを直接または間接的に測定及び／または制御するための外部圧力制御器を不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂまたは外部領域接続器２８を通して外部領域５と空間的に接続することも可能である。
【０３４５】
本発明の実施例において、内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、内部領域の圧力Ｐｉと外部領域の圧力Ｐｏの差、即ち、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールの範囲内に維持するのに利用され得る。
【０３４６】
しかし、内部圧力制御器を構成する際は、内部領域４における様々な位置によってＰｉ値が変化することに留意しなければならない。
【０３４７】
流動層の内部または下部と空間的に接続される位置に設置される、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６、または内部領域接続器で測定されるＰｉ値は、シリコン粒子の流動層と直接接触しない、ガス排出部１７、シリコン種晶供給部１８、または内部領域接続器で測定されるＰｉ値より大きい。
【０３４８】
特に、シリコン粒子流動層の下部と空間的に接続される内部領域接続器、流動ガス供給部１４または粒子排出部１６で定められた圧力は、最大内部圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）となり得、流動層と接触しないガス排出部１７または内部領域接続器２４，２５で定められた圧力は、最小内部圧力値Ｐｉ（ｍｉｎ）となり得る。
【０３４９】
これは、シリコン粒子３層では高さによる圧力差が必然的に発生し、層の下部におけるＰｉ値はシリコン粒子層の上部におけるＰｉ値より常に高いためである。
【０３５０】
この圧力差は、シリコン粒子層の高さによって増加する。シリコン粒子層において１バール以上の圧力差を得るためには、反応器の高さは極端に増加されなければならない。一方、シリコン粒子層の上部と下部との圧力差が０．０１バール以下の場合、シリコン粒子層の高さが非常に小さくなるため、生産性が低下する。
【０３５１】
従って、シリコン粒子層の高さによる圧力差は０．０１〜１バールの範囲内に維持されることが好ましい。
【０３５２】
言い換えれば、最大圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）と、最小圧力差Ｐｉ（ｍｉｎ）の差が０〜１バール範囲内に維持されることが好ましい。
【０３５３】
本発明の実施例によって反応管２の両側の圧力差、即ち、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バール範囲内に維持するにあたって、反応管２の高さの違いによって圧力差の値が変化することに留意しなければならない。
【０３５４】
内部圧力制御器が、内部領域４ｃの上部より圧力が高いシリコン粒子層の内部または下部と空間的に接続された内部領域接続器、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５または粒子排出部１６を通して内部領域４と空間的に接続される場合、Ｐｏ≦Ｐｉ及び０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの条件が満たされることが好ましい。
【０３５５】
対照的に、内部圧力制御器が、シリコン粒子層の内部または下部より圧力が低い内部領域の上部空間４ｃと空間的に接続され、シリコン粒子の流動層と接触しないガス排出部１７、シリコン種晶供給部１８または内部領域接続器２４，２５を通して内部領域４と空間的に接続される場合、Ｐｉ≦Ｐｏ及び０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの条件が満たされることが好ましい。
【０３５６】
更に、１ヶ所以上で測定された平均圧力値は、内部圧力制御器及び外部圧力制御器の構成において利用され得る。
【０３５７】
特に、前記内部領域の圧力Ｐｉは、接続される空間によって変化し得るため、内部圧力制御器は、圧力値の測定を可能とする１つ以上の圧力計を備えた制御装置を含み得、測定された圧力値の平均値を計算することもできる。
【０３５８】
それ故、本発明の実施例によって反応管２の両側の圧力差、即ち｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バール範囲内に維持するにあたって、外部領域の圧力Ｐｏが最大圧力値Ｐｉ（ｍａｘ）と最小圧力値Ｐｉ（ｍｉｎ）との間に維持されることが更に好ましい。
【０３５９】
本発明の実施例による内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールに、即ち、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持する圧力差制御器を含むことが必要である。
【０３６０】
圧力差制御器は、内部圧力制御器または外部圧力制御器のうち一方または両方に含まれ得る。
【０３６１】
但し、Ｐｉ値が内部領域４における位置によって変化し得ることを考慮し、内部領域４において、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６、内部領域接続器などのような内部領域の上部４ｃより圧力が高いシリコン粒子層の内部、特に圧力が最も高いシリコン粒子層の下部でのＰｉ値は、Ｐｏ≦Ｐｉ及び０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの条件を満たすように、圧力差制御器により調整されることが好ましい。
【０３６２】
内部圧力制御器は、圧力差制御器が外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦（Ｐｉ−Ｐｏ）≦１バールの範囲内に維持し得るように、流動ガス供給部１４、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６または内部領域接続器を通してシリコン粒子層の内部と空間的に接続され得る。
【０３６３】
対照的に、内部領域４においては、内部領域の上部４ｃに空間的に接続される位置での圧力Ｐｉ値が、Ｐｉ≦Ｐｏ及び０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの条件を満たすように、圧力差制御器により調整されることが好ましい。
【０３６４】
内部圧力制御器が、シリコン粒子の流動層と接触しないガス排出部１７、シリコン種晶供給部１８、内部領域接続器２４，２５などを通して内部領域４と空間的に接続されるため、圧力差制御器が外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦（Ｐｏ−Ｐｉ）≦１バールの範囲内に維持することができる。
【０３６５】
本発明の実施例において、圧力差制御器は、内部圧力制御器、外部圧力制御器のいずれか一方、または両方に含まれ得、｜Ｐｏ−Ｐｉ｜値を０〜１バールの範囲内に維持するように相互連結され得る。
【０３６６】
本発明の実施例によって、外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの差が、圧力差制御器を利用して０〜１バールの範囲内に維持されさえすれば、Ｐｉ値またはＰｏ値のいずれかは、非常に大きく、または非常に小さくなり得る。
【０３６７】
生産性の面においては、反応圧力が絶対圧力で少なくとも１バールであることが好ましい。
【０３６８】
単位時間当りのモル数または質量を基準とした、流動ガス１０と反応ガス１１の供給速度は圧力にほぼ比例して増加する。
【０３６９】
従って、反応圧力、即ち、ＰｏまたはＰｉ値が増加するほど、シリコン粒子層内のガスを反応温度まで加熱することが難しい作業となる。
【０３７０】
しかしながら、反応器に反応ガスを供給する前に、初期分解温度である約３００〜３５０℃まで反応ガス１１を予熱することは難しい。更に、流動層反応器の外部で反応温度またはそれ以上の温度まで流動層を予熱することは、不純物汚染の可能性があるため、危険である。更に、流動ガス供給部１４の完璧な断熱も実際には難しいため、予熱は反応温度より低い温度に制限される。
【０３７１】
更に、反応圧力が約２０バールを超える場合は、たとえ熱負荷が最大となるように、内部加熱器８ａが加熱領域Ｚｈに設置されても、反応温度の維持に必要な熱量を供給することは現実的に不可能となる。
【０３７２】
このような制約を考慮して、外部領域の圧力Ｐｏまたは内部領域の圧力Ｐｉは、絶対圧力で約１〜２０バールの範囲内であることが好ましい。
【０３７３】
本発明の実施例によると、内部圧力制御器及び外部圧力制御器は、下記のとおり反応管２の両側の圧力差を低減させる圧力差制御器を含み得る。
【０３７４】
圧力差制御器を利用することで、反応管２の安定性を損なうことなく、反応圧力を増加することができるため、生産性を向上させ、流動層反応器の安定性を確保することができる。
【０３７５】
例えば、内部圧力制御器が内部領域４のいずれの位置に接続されても、内部領域の内部圧力Ｐｉと外部領域の外部圧力Ｐｏが、それぞれ０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件を満たす制御基準値であるＰｉ＊及びＰｏ＊に制御され得るように、内部圧力制御器と外部圧力制御器は、それぞれの圧力差制御器を含み得る。
【０３７６】
このために、内部圧力制御器は、所定の内部圧力値Ｐｉ＊を維持するための圧力差制御器を含み、外部圧力制御器は、反応管２の両側の圧力差を０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの範囲内に維持する条件を満たす外部圧力値Ｐｏ＊を維持するための圧力差制御器を含み得る。
【０３７７】
同様に、外部圧力制御器は、所定の外部圧力値Ｐｏ＊を維持するための圧力差制御器を含み、内部圧力制御器は、反応管２の両側の圧力差を０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの範囲内に維持する条件を満たす内部圧力値Ｐｉ＊を維持するための圧力差制御器を含み得る。
【０３７８】
また、内部圧力制御器を内部領域４のいずれの位置に接続しても、内部圧力制御器が所定の内部圧力値Ｐｉ＊を維持し得るように、圧力差制御器が含まれ得る。外部圧力制御器は、高さに関係なく、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件を満たすように、外部圧力Ｐｏを制御するための圧力差制御器を含み得る。
【０３７９】
外部領域の圧力Ｐｏと内部領域の圧力Ｐｉの圧力差を０〜１バールの範囲内に維持するために、圧力差制御器のＰｉ＊及びＰｏ＊値を設定する際には、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂを通した不純物成分の流出を考慮する必要性もある。
【０３８０】
本発明の実施例による流動層反応器の設置、操作において、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂを利用したガス封止を完璧に達成することは容易でない。一方、シリコン粒子３の流動により発生した反応管２の内因性熱膨張または反応管２に与えられる剪段応力により、封止手段４１ａ，４１ｂによる封止が不十分となり得る。
【０３８１】
本発明の実施例によると、圧力差制御器の運転条件、つまりＰｉ＊及びＰｏ＊値を正確に設定することで、封止手段４１ａ，４１ｂを通して内部領域４と外部領域５との間に不純物成分が流出する問題を解消することができる。
【０３８２】
本発明の実施例によると、内部領域の圧力及び外部領域の圧力を各々制御するために、圧力差制御器の圧力制御条件は、排ガス１３の成分や外部領域５に存在するガスの成分分析に基づいて設定され得る。
【０３８３】
例えば、ガス排出部１７または排ガス処理部３４を利用した排ガス１３の成分分析、または外部領域接続器２８または不活性ガス接続器２６ｂを利用した外部領域に存在するガスの成分分析によって、内部領域４と外部領域５との間の封止手段４１ａ，４１ｂによる不純物成分の移動を確認することができる。
【０３８４】
内部領域４に供給されない不活性ガス１２の成分が排ガス１３から検出される場合、外部領域５から内部領域４に不純物が混入するのを減少させ、または防止するために、Ｐｏ＊値が減少され得るか、Ｐｉ＊値が増加され得る。
【０３８５】
対照的に、不活性ガス１２に含まれた成分のほかに、内部領域４内の排ガス１３に含まれた成分が、外部領域５の外部に排出されたガスから検出される場合、内部領域４から外部領域５に不純物が混入するのを減少させ、または防止するために、Ｐｏ＊値が増加され得るか、Ｐｉ＊値が減少され得る。
【０３８６】
このように、圧力制御器の制御条件を適切に選択することで、流動層反応器の設置及び運転中に、反応管２の封止手段４１ａ，４１ｂが完璧に封止をしなくとも、２つの領域との間の不純物混入を減少させ、または防止することが可能である。
【０３８７】
但し、圧力差制御器で、Ｐｉ＊値及びＰｏ＊値がどのように設定されても、０バール≦｜Ｐｏ＊−Ｐｉ＊｜≦１バールの条件は満たされなければならない。
【０３８８】
本発明の目的を達成するための別の例として、内部圧力と外部圧力の圧力差、ΔＰ＝｜Ｐｏ−Ｐｉ｜が測定されるように、内部圧力制御器と外部圧力制御器は相互接続され、内部領域４のいずれの位置での圧力Ｐｉについても、ΔＰ値が０〜１バールの範囲内に維持され得るように、内部圧力制御器及び／または外部圧力制御器は、手動、半自動または自動で調節され得る。
【０３８９】
本発明の目的を達成するための別の例として、本発明の実施例による圧力差制御器は、内部圧力制御器に含まれる接続管と外部圧力制御器に含まれる接続管を空間的に相互接続する均等管路(ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ  ｌｉｎｅ)を含み得る。
【０３９０】
内部圧力制御器に含まれて均等管路に接続される接続管は、内部領域４に空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。その位置は、内部領域接続器２４，２５、流動ガス供給部１４，１４’、反応ガス供給部１５、粒子排出部１６、ガス排出部１７及び種晶供給手段１８を含む内部領域４と空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。
【０３９１】
更に、外部圧力制御器に含まれて均等管路に接続される接続管は、外部領域５に空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。その位置は、外部領域接続器２８と、不活性ガス接続器２６ａ，２６ｂを含む外部領域５と空間的に直接または間接的に接続され得る位置に設置され得る。
【０３９２】
内部圧力制御器と外部圧力制御器を空間的に相互接続する均等管路は、２つの領域４，５の間の圧力差がほぼ０バールに維持されるため、最も簡単なタイプの圧力差制御器と言える。
【０３９３】
このような長所にも関わらず、圧力差制御器が均等管路のみで構成されると、ガス成分及び不純物が２つの領域４，５の間で相互混合され得る。
【０３９４】
もしそうなら、外部領域５における断熱材及び補助加熱器から排出される不純物が、内部領域４、特に、多結晶シリコン粒子を汚染し得る。また、内部領域４からのシリコン粒子、未反応反応ガスまたは反応副生成物も外部領域５を汚染し得る。
【０３９５】
それ故、均等管路が圧力差制御器として利用される場合、２つの領域４，５の間のガス成分と不純物の相互混合を減少、または防止するために、圧力均等化部が均等管路に具備され得る。
【０３９６】
圧力均等化部は、２つの領域４，５との間の圧力維持に影響を与えることなく、ガス及び不純物成分の相互混合を防止し得る圧力均等化弁、３方弁、粒子分離用フィルター、減衰容器、充填層、ピストン、第３の流体、分離膜を利用する圧力補償装置等の逆止弁を１つ以上を含み得る。
【０３９７】
この他にも、圧力差制御器は、圧力及び流速の調節及び制御が可能な手動弁、または事前に設定された圧力または圧力差により半自動で制御される半自動弁を更に含み得る。
【０３９８】
これらの弁は、圧力または圧力差の値を表示する圧力計と表示装置に加えて、接続管と結合されて設置され得る。
【０３９９】
商業的に利用可能な圧力計と表示装置は、アナログ型、デジタル型及びこれらの組み合わせがある。データの貯蔵及び制御が可能なシステムは、信号変換器、信号処理機などのデータ処理手段及び計算機能を備えるローカル制御装置、分散制御装置または中央制御装置と接続することで構成され得る。
【０４００】
反応領域Ｚｒで必要な熱量を供給するためには、加熱領域Ｚｈに設置される内部加熱器８ａの選択、設計、構成、操作及び制御が重要である。これと関連して、産業的に確立した電気抵抗加熱技術は本発明で利用され得る。
【０４０１】
例を挙げると、非特許文献１及びここで引用された参考文献で言及された電気抵抗加熱技術は本発明でも利用可能である。
【非特許文献１】M．Orfeuil，“Electric Process Heating：Technologies／Equipment／Applications，”Battelle Press，1987（ISBN 0-935470-26-3）
【０４０２】
このような技術を活用する際、本発明の実施例で使用される内部加熱器８ａは、少なくとも一部が流動状態を有する高純度のシリコン粒子３層と接触しながら、加熱領域Ｚｈの内部に設置される点を考慮する必要がある。
【０４０３】
本発明の実施例で使用され得る内部加熱器８ａは、時折不規則な流動状態を見せ、ガス気泡が爆発する反応管２におけるシリコン粒子３の動き、などに伴う流動層の衝撃、応力及び振動に耐えることができ、抵抗加熱のために電気接続器９，９’，９ａと電気的に接続されさえすれば、いずれの形態も取り得る。
【０４０４】
従って、この内部加熱器８ａを構成する加熱器ユニットは、粒子の流動層の内部に設置され得、加熱領域Ｚｈにおける内部加熱器８ａと継続して接触するシリコン粒子３、流動ガス１０及び充填材料２２から不純物汚染されることを防止し得るように、十分な機械的安定性を有する電気抵抗加熱を提供する抵抗体３８を含み得る。
【０４０５】
本発明の実施例において加熱器ユニットを構成し、電気抵抗加熱を提供する抵抗体３８は、厚さ方向の断面が円形、楕円形または多角形である棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または断面が同心円形、楕円形または多角形である導管、チューブ、シリンダーまたはダクトの形態であり得る。前記断面は、長さ方向に沿って１つまたは複数の形態及び／またはサイズを有し得る。
【０４０６】
抵抗体３８の材料として、電流により重大な物性変化がなく、反応温度より最低約１００℃以上高い融点を有し、加熱温度の範囲での比抵抗値が約１μｏｈｍ・ｃｍ〜０．１ｏｈｍ・ｃｍの範囲であるものが好ましい。前述した引用文献に言及された抵抗体の材料が本発明でも使用され得る。
【０４０７】
抵抗体３８の材料は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１つまたは２つを含み得る。
【０４０８】
電気抵抗加熱器の抵抗体３８としてたびたび使用される黒鉛は、必要な長さ、断面及び形態に加工された後、純粋成形物または複合物の形態で使用され得る。粒子不純物の形成を防止するために、約５０〜１００μｍの厚さの炭化ケイ素層が黒鉛の表面に形成されることが好ましい。
【０４０９】
例えば、炭化ケイ素層は、シリコン単結晶成長装置におけるシリコン溶融体るつぼを加熱するために使用されるような抵抗体３８として使用されるように、曲折溝（ｍｅａｎｄｅｒｉｎｇ ｓｌｏｔ）を形成するように加工された、直径が大きい黒鉛管の表面に形成され得る。
【０４１０】
ケイ素は、高純度シリコン粒子３層の内部に設置される内部加熱器８ａ用抵抗体３８として好ましい。しかし、高純度シリコンは低い温度範囲では比抵抗が高すぎるため、不純物成分でドープするか、比抵抗が低い抵抗体３８を複合体形態に形成するか、または低温で抵抗加熱が良い成分の複数の層を有する構造に形成することができる。
【０４１１】
電気抵抗加熱にたびたび使用される抵抗材料は、金属や合金を含み得る。
【０４１２】
抵抗体３８を含む材料は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された１つまたは複数の金属元素または合金を含み得る。
【０４１３】
更に、抵抗体３８は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア及びそれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１種と共に、非炭素系セラミック成分と金属元素を含み得る。
【０４１４】
内部加熱器８ａの加熱器ユニットのサイズは、加熱領域Ｚｈの内部に設置されても反応ガス１１との接触を避けることができ、シリコン粒子３の流動により発生する衝撃、応力及び振動に耐え、電気接続器９，９’，９ａと電気的に接続されるように抵抗加熱を行うことができさえすれば、特別に限定されない。
【０４１５】
しかしながら、個々の内部加熱器ユニットの性能は、特別な物質だけでなく、電流の流れによって断面積により直接影響を受ける電気抵抗値のような電気的特性によっても決定されるため、抵抗加熱特性を最適化することが好ましい。
【０４１６】
この加熱器ユニットを構成する抵抗体３８は、電極部を含む電気接続器９，９’，９ａを通して電力供給源Ｅと電気的に接続される。
【０４１７】
前述した通り、抵抗体３８を構成する成分の大部分が、高純度のシリコン粒子３を汚染する不純物成分であるため、シリコン粒子３との直接接触を防止することが重要である。
【０４１８】
それ故、抵抗体３８とシリコン粒子３との直接接触を防止するために、（i）保護管４０が抵抗体３８の外部に設置されるか；（ii）各々異なる障壁成分で製作された１つまたは複数の分離層３９が、抵抗体３８の表面に形成されるか；または（iii）保護管４０が、分離層３９が形成された抵抗体３８の外部に設置され得る。
【０４１９】
保護管４０は、２つの方法で抵抗体３８の外部に設置され得る。第１に、保護管４０は、図１または図３に図示されるＷ型、またはＵ型内部加熱器８ａように、抵抗体３８の長さ方向の全部、または一部を、厚さ方向に取り囲み得る。または、図２、図４及び図５に図示される埋没型内部加熱器８ａのように、抵抗体３８は、放射管形態に密閉した保護管４０の内部に設置され得る。
【０４２０】
Ｕ型またはＷ型加熱器ユニット８ａの場合、保護管４０は、抵抗体３８の形態によってチューブ、導管、成形品などの多様な形態であり、抵抗体３８と接触するか、保護管４０と抵抗体３８との間の空間に設置され得る。
【０４２１】
更に、抵抗体３８及び／または保護管４０は、単一ユニットで構成され得、または複数の構成要素を含み得る。
【０４２２】
例えば、図１は、加熱器ユニットが、電気接続器９、即ち電極部に設置された２つの垂直の構成要素および水平の仲介部分と電気的に接続することで構成される場合を概略的に図示している。
【０４２３】
抵抗体３８及び／または保護管４０を構成する複数の構成要素は、（i）抵抗体３８の接続器を機械的に加工するか、（ii）溶接手段またはプラズマ／アークなどを利用して溶接するか、（iii）接続用フィッティング部材または部品を使用するか、または（iv）上記の方法の組合せを通して結合され得る。
【０４２４】
構成要素は、同一の大きさ、同一材料からなり得る。しかし、断面積、長さなどのような要素の物理的特性が温度による電気的性質を考慮して選択され、構成要素が容易にかみ合うように加工されさえすれば、異なる大きさ、または材料であっても使用され得る。
【０４２５】
フィラメント／ワイヤー放熱器、石英管放熱器、セラミック放熱器などを含む埋没型、即ち放射管型加熱器ユニット８ａは、抵抗体３８が密閉されて安全に保護され得るため、抵抗体３８の選択において有利である。本発明の実施例の加熱器ユニット８ａで使用され得る保護管４０は、厚さ方向に、同心円形、楕円形、多角形などを含む多様な断面形態を持つことができる。このような保護管４０はシリコン粒子３と接触するため、内部加熱器８ａ及び／または保護管４０自体からの不純物によるシリコン粒子３の汚染を防止し得るように、単一層、すなわち単一成分材質、または複数の分離層３９で作られるべきである。更に、保護管４０を構成する分離層３９または材料は、抵抗体３８から高温において電気伝導性を有する高純度のシリコン粒子３への電流の流れを防止する電気絶縁性を提供する必要がある。
【０４２６】
保護管４０を使用することなく、加熱器ユニット８ａを利用してシリコン粒子３と流動ガス１０を加熱するためには、不純物汚染を防止するために、抵抗体３８の表面に１または複数の分離層３９を形成することが好ましい。更に、保護管４０においても、抵抗体３８から高純度のシリコン粒子３へ電流が流れるのを防止する電気絶縁性を提供するために、好ましくは分離層３９が必要である。この場合、分離層３９は、抵抗体３８を保護するという、保護管４０の機能も果たす。
【０４２７】
電気絶縁性を確保し、シリコン粒子３の不純物汚染を防止するためには、加熱器ユニット８ａは、上に分離層３９が形成された抵抗体３８を取り囲むように、保護管４０を設置することで構成され得る。この場合、保護管４０は長さ方向に沿って加熱器ユニット８ａの全部または一部に設置され得る。
【０４２８】
前述した通り、本発明の実施例による内部加熱器８ａの加熱器ユニットは、分離層３９の数、保護管４０の可否などにより様々な方法で構成され得る。
【０４２９】
最も簡単な例の形態は、抵抗体３８及び／または保護管４０は、円形または同心円形であり、加熱器ユニットの断面は図６（ａ）〜（ｉ）に図示したような様々な形態で構成され得る。
【０４３０】
図６（ａ）は、棒型の抵抗体３８の表面に２種の分離層３９’，３９”が形成される場合を図示し；図６（ｂ）は、棒型の抵抗体３８が保護管４０により取り囲まれて接触する場合を例示し；図６（ｃ）は、棒型の抵抗体３８が保護管４０により間隔をあけて取り囲まれる場合を図示し；図６（ｄ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８の外側の表面が、別の分離層３９ｂが形成された保護管４０の内側の表面と接触する場合を図示し；図６（ｅ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８が、外側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示し；図６（ｆ）は、分離層３９ａが形成された棒型の抵抗体３８が、内側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示し；図６（ｇ）は、２つの分離層３９，３９”がチューブ型の抵抗体３８の外側の表面に形成され、１つの分離層３９’’’が内側の表面に形成される場合を図示し；図６（ｈ）は、外側の表面に分離層３９ａ，３９ａ’が形成されたチューブ型の抵抗体３８が、外側の表面に別の分離層３９ｂが形成された保護管４０の内部と接触する場合を図示し；図６（ｉ）は、外側の表面に分離層３９ａが、及び内側の表面に分離層３９ａ’が各々形成されたチューブ型の抵抗体３８が、保護管４０内に間隔をあけて挿入される場合を図示している。
【０４３１】
更に、Ｕ型またはＷ型加熱器ユニットは、抵抗体３８によりシリコン粒子の不純物汚染を防止するために、図６に図示された、いくつかの例の組合せを利用した様々な方法で構成され得る。
【０４３２】
また、埋没型、つまり、放射管型内部加熱器８ａは、産業的に活用される様々な方法で構成され得る。図７（ａ）〜（ｄ）は、抵抗体３８の厚さ方向の断面の例をいくつか概略的に図示している。
【０４３３】
図７（ａ）は、ワイヤー、棒またはフィラメント形抵抗体３８が保護管４０の内部で絶縁体４２により支持される場合を図示し；図７（ｂ）は、抵抗体３８が断面が四角形となるように加工され、保護管４０の内部に設置される場合を図示し；図７（ｃ）は、断面が半円形である抵抗体３８が、内表面上に追加の分離層３９ｂが形成された、保護管４０の内部の分離層３９ａにより完全に取り囲まれる場合を図示し；図７（ｄ）は、カットされたチューブの形態に加工された抵抗体３８が、外表面上に追加の分離層３９bが形成された保護管４０の内部に設置される場合を図示している。
【０４３４】
分離層３９は、抵抗体３８及び／または保護管４０の表面に更に形成され得る。
【０４３５】
Ｕ型またはＷ型の加熱器ユニットと同様に、放射管型加熱器ユニットに含まれる抵抗体３８も、不純物汚染及び／または腐食を防止するために、表面を分離層３９でコーティングすることもできる。
【０４３６】
放射管型加熱器ユニットは、各ユニット別に電気入口端子と出口端子が必要である。また、図７（ａ）〜（ｄ）に図示されたような抵抗体３８の構成要素は、入力端子から供給された電流が外部端子を通して出て行くことができるように、保護管４０の内部に電気的に相互接続されることが必要である。
【０４３７】
前述したように、加熱器のタイプに関係なく、抵抗体３８及び／または保護管４０の構成は、多様に選択され得る。しかし、不純物汚染を最大限防止することが必要な場合、分離層３９を適切に形成することが非常に重要である。
【０４３８】
本発明の実施例による分離層３９及び／または保護管４０は、１または複数の層からなりえる。しかし、それが、５層以上からなる場合、分離層３９の障壁成分の間の熱膨張の差が深刻となり、分離層３９を形成するのにかなりの時間、労力及び費用を要する。従って、分離層３９及び／または保護管４０は１〜５層からなることが好ましい。
【０４３９】
本発明の実施例の障壁成分は、抵抗体３８からシリコン粒子３及び／または流動ガス１０に不純物の拡散を防止する成分を含む必要がある。
【０４４０】
内部加熱器８ａに供給された電流が、高温で電気伝導性を有する高純度のシリコン粒子３に流れると、シリコン粒子３は瞬時に溶けるか、互いに引っ付き合う。
【０４４１】
このような問題を防止するために、障壁成分は、分離層３９及び／または保護管４０が少なくとも１の電気絶縁層を含むように、電気絶縁成分の中から選択され得る。
【０４４２】
本発明の実施例の分離層３９及び／または保護管４０を構成する障壁成分は、電気絶縁層及び／または抵抗体３８に含まれた不純物がシリコン粒子３及び／または流動ガス１０に拡散されることを防止し得る層を形成し得る成分の中から選択され得る。
【０４４３】
障壁成分の例は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）のように、室温で非金属性質を有する元素の窒化物、酸化物、炭化物または酸化窒化物を含む。
【０４４４】
更に、障壁成分は、室温で金属性質を持つ、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）の中から選択された少なくとも１の元素の窒化物、酸化物、ケイ素化物、ホウ素化物、炭化物、酸化窒化物または酸化ケイ素化物を含み得る。
【０４４５】
窒化物系障壁成分は、Ｓｉ−Ｎ、Ｗ−Ｎ、Ｏｓ−Ｎ、Ｔａ−Ｎ、Ｍｏ−Ｎ、Ｎｂ−Ｎ、Ｉｒ−Ｎ、Ｒｕ−Ｎ、Ｔｃ−Ｎ、Ｈｆ−Ｎ、Ｒｈ−Ｎ、Ｖ−Ｎ、Ｃｒ−Ｎ、Ｚｒ−Ｎ、Ｐｔ−Ｎ、Ｔｈ−Ｎ、Ｔｉ−Ｎ、Ｌｕ−Ｎ、Ｙ−Ｎなどのような単一成分窒化物と、Ｗ−Ｖ−Ｎ、Ｗ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔａ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｃ−Ｎ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｍｏ−Ｎなどのような混合金属窒化物を含む。
【０４４６】
このような窒化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。窒化物系分離層３９の窒素成分は加熱領域Ｚｈをほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得る。更に、電気絶縁性を示すＳｉ−Ｎ結合を有する窒化ケイ素成分は、酸化物系、酸化窒化物系、炭化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４４７】
酸化窒化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｗ−Ｏ−Ｎ、Ｏｓ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ−Ｎ、Ｍｏ−Ｏ−Ｎ、Ｎｂ−Ｏ−Ｎ、Ｉｒ−Ｏ−Ｎ、Ｒｕ−Ｏ−Ｎ、Ｔｃ−Ｏ−Ｎ、Ｈｆ−Ｏ−Ｎ、Ｒｈ−Ｏ−Ｎ、Ｖ−Ｏ−Ｎ、Ｃｒ−Ｏ−Ｎ、Ｚｒ−Ｏ−Ｎ、Ｐｔ−Ｏ−Ｎ、Ｔｈ−Ｏ−Ｎ、Ｔｉ−Ｏ−Ｎ、Ｌｕ−Ｏ−Ｎ、Ｙ−Ｏ−Ｎなどのような単一成分酸化窒化物と、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ、Ｈｆ−Ｚｒ−Ｏ−Ｎ、Ｍｏ−Ｗ−Ｏ−Ｎ、Ｖ−Ｍｏ−Ｗ−Ｏ−Ｎなどのような混合金属酸化窒化物を含む。
【０４４８】
このような酸化窒化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。酸化窒化物系分離層３９の窒素及び酸素成分は析出領域をほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得る。更に、電気絶縁性を示すＳｉ−Ｏ−Ｎ結合を有する酸化窒化ケイ素成分は、窒化物系、酸化物系、炭化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４４９】
酸化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｏ、Ｗ−Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ｎｂ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏ、Ｚｒ−Ｏ、Ｔｉ−Ｏなどのような単一成分酸化物と、Ｗ−Ｖ−Ｏ、Ｔｉ−Ｓｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｔｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｔｉ−Ｎｂ−Ｏ、Ｓｒ−Ｌａ−Ａｌ−Ｏ、Ｌａ−Ｍｎ−Ｏ、Ｓｒ−Ｈｆ−Ｏ、Ｎｂ−Ｔａ−Ｏ、Ｂａ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂａ−Ｍｏ−Ｏ、Ｂａ−Ｃｅ−Ｏ、Ｂａ−Ｔｉ−Ｏ、Ｃａ−Ｔｉ−Ｏ、Ｓｒ−Ｚｒ−Ｏ、Ｓｒ−Ｍｎ−Ｏ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｍｏ−Ｏ、Ｙ−Ｚｒ−Ｏなどのような混合金属酸化物を含む。
【０４５０】
このような酸化物系成分は、ほとんどが１，４２０℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。酸化物系分離層３９の酸素成分は加熱領域Ｚｈをほとんど汚染させないため、単一または複数の分離層３９に使用され得、窒化物系、酸化窒化物系、炭化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットを形成するのに使用され得る。
【０４５１】
炭化物障壁成分は、Ｓｉ−Ｃ、Ｗ−Ｃ、Ｏｓ−Ｃ、Ｔａ−Ｃ、Ｍｏ−Ｃ、Ｎｂ−Ｃ、Ｉｒ−Ｃ、Ｒｕ−Ｃ、Ｔｃ−Ｃ、Ｈｆ−Ｃ、Ｒｈ−Ｃ、Ｖ−Ｃ、Ｃｒ−Ｃ、Ｚｒ−Ｃ、Ｐｔ−Ｃ、Ｔｈ−Ｃ、Ｔｉ−Ｃ、Ｌｕ−Ｃ、Ｙ−Ｃなどのような単一成分炭化物と、Ｓｉ−Ｗ−Ｃ、Ｔａ−Ｈｆ−Ｃ、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃなどのような混合金属炭化物と、Ｗ−Ｃ−Ｎ、Ｔａ−Ｃ−Ｎ、Ｚｒ−Ｃ−Ｎ、Ｔｉ−Ｃ−Ｎのような遷移金属炭化窒化物などを含む。
【０４５２】
このような炭化物系成分は、ほとんどが２，０００℃以上の融点を有しており、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、分離層３９としての使用に適用できる。炭化物系分離層３９の炭素成分は加熱領域Ｚｈを汚染させる傾向があるため、炭化物系分離層を単一分離層３９として使用するよりは、加熱領域Ｚｈから炭化物系分離層を遮蔽するために、窒化物系、酸化窒化物系、ケイ素化物系、酸化ケイ素化物系分離層３９を使用することが好ましい。
【０４５３】
ケイ素化物障壁成分は、Ｗ−Ｓｉ、Ｏｓ−Ｓｉ、Ｔａ−Ｓｉ、Ｍｏ−Ｓｉ、Ｎｂ−Ｓｉ、Ｉｒ−Ｓｉ、Ｒｕ−Ｓｉ、Ｔｃ−Ｓｉ、Ｈｆ−Ｓｉ、Ｒｈ−Ｓｉ、Ｖ−Ｓｉ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｚｒ−Ｓｉ、Ｐｔ−Ｓｉ、Ｔｈ−Ｓｉ、Ｔｉ−Ｓｉ、Ｌｕ−Ｓｉ、Ｙ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｓｉなどのような単一成分ケイ素化物と、Ｗ−Ｖ−Ｓｉ、Ｗ−Ｔｉ−Ｓｉ−Ｎ、Ｔｉ−Ｚｒ−Ｓｉ−Ｃ、Ｈｆ−Ｔａ−Ｓｉ−Ｎなどのような混合金属ケイ素化物を含む。ケイ素化物と結合する酸素原子を有する酸化ケイ素もケイ素化物系成分に含まれ得る。
【０４５４】
このようなケイ素化物系または酸化ケイ素化物系成分は、融点が１，４２０℃以上となるように調節され得る。更に、その他の物理的性質が抵抗体３８と異なり、抵抗体３８からの不純物成分と結合し得るため、単一または複数の分離層３９として使用され得る。また、窒化物系、酸化物系、酸化窒化物系または炭化物系分離層３９と共に、加熱器ユニットに形成され得る。
【０４５５】
更に、分離層３９をなす障壁成分には、ホウ素の窒化物、酸化物、炭化物、酸化窒化物などのように、優れた物性を有するホウ素含有物質も含み得る。ホウ素系分離層３９のホウ素成分は、高温で加熱領域Ｚｈを汚染させ得るため、ホウ素系分離層３９を単一分離層３９として使用するより、加熱領域Ｚｈからホウ素系分離層を遮蔽するために、窒化物系、酸化窒化物系、ケイ素化物系または酸化ケイ素化物系分離層３９を使用する必要がある。
【０４５６】
本発明の実施例によって抵抗体３８の表面に分離層３９を形成することにより加熱器ユニットを構成することは、様々な方法で実施され得る。
【０４５７】
例えば、先で説明したように、加熱器ユニットは、分離層３９を形成するために、分離層３９の障壁成分を含む構成ユニットを使用して、抵抗体３８の表面を取り囲むようにして、同軸多重管の形態に構成され得る。
【０４５８】
このような分離層３９の構成ユニットは分離層３９を形成するのに使用される場合、加熱器ユニットは、所定のサイズ、形態及び個数によって決まる各分離層３９の構成ユニットを塗布または製造し、分離層３９で抵抗体３８を取り囲むことで構成され得る。
【０４５９】
この方法は、複数の分離層３９の構成ユニットを組み立てて加熱器ユニットを構成する場合に適合する。分離層３９の各構成ユニットは、それぞれの障壁成分を含む各層が、厚さ方向に断面が円形、多角形、同心円形または同心多角形の形態であり、抵抗体３８の表面を取り囲むことができる、１または複数の分離層３９を含み得る。
【０４６０】
この方法によると、抵抗体３８の表面と分離層３９との間、分離層３９と分離層３９との間、または分離層３９の構成ユニット間に微細な空間が存在し得るが、これらは加熱器ユニットの作用を妨害しない。
【０４６１】
これとは異なり、分離層３９は、選択された各障壁成分を抵抗体３８の表面に所定の厚さにコーティングすることで形成され得る。このような分離層３９の直接コーティングにて、複数の層からなる分離層３９は単一コーティング装置または種々のコーティング装置を利用して形成され得る。
【０４６２】
この方法によると、分離層３９は、抵抗体３８の表面と分離層３９との間、または分離層３９間に不必要な空間なく密接に形成され得る。
【０４６３】
更に、加熱器ユニットは、分離層３９の構成ユニットを組立て、直接コーティングにより分離層３９を形成することで構成され得る。
【０４６４】
本発明の実施例に従った抵抗体３８の表面の全体または一部への分離層３９の形成は、別途の反応器やコーティング装置を利用して実施され得る。その他に、本発明の実施例で利用される流動層において、または既存の利用可能な鐘型析出反応器の内部空間において実施することもできる。
【０４６５】
抵抗体３８は対応する反応器の電極部セットに接続され、抵抗体３８を加熱するためにこの電極部を通して電気が供給される。更に、加熱ユニットは、抵抗体３８の表面に分離層３９を形成するため、析出反応器に分離層３９形成用原料ガスを提供することで製造され得る。
【０４６６】
その他、分離層３９の一部が、別途の装置を利用して抵抗体３８の表面に形成され、残りの分離層３９が、本発明の実施例で利用される析出反応器または既存の析出反応器を利用して更に形成され得る。
【０４６７】
この場合、１つまたは複数の未完成加熱器ユニットが、電極部と接続して析出反応器の内部に配置された後、未完成加熱器ユニットを加熱するために電極部を通して電気が供給され得る。更に、析出反応器の内部に分離層３９を形成するための原料ガスは、分離層３９を形成し、本発明の実施例で活用され得る加熱器ユニットを完成させるために導入される。
【０４６８】
更に、本発明の実施例において、単一層または複数の層からなる分離層３９は、（i）物理的蒸着法（ＰＶＤ）（スパッタリング蒸着法、パルスレーザー蒸着法、イオン注入法及びイオンめっき法など含む）；（ii）化学的蒸着法（ＣＶＤ）（常圧ＣＶＤ、金属有機ＣＶＤ、プラズマ化学気相成長法など含む）；（iii）溶融体噴霧法（Ｍｅｌｔ Ｓｐｒａｙ Ｃｏａｔｉｎｇ；各種噴霧法及びエアゾール蒸着法を含む）；（iv）熱反応析出拡散法（溶融塩法及び粉末法を含む）；そして（v）ゾル−ゲル法及び溶液法により形成され得る。
【０４６９】
本発明の実施例において、分離層３９の厚さの合計は、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であることが好ましく、および／または保護管４０の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【０４７０】
分離層３９の厚さの合計が１μｍより小さい場合、障壁成分は十分な分離効果を示さない。対照的に、厚さの合計が５ｍｍより大きい場合、分離層３９の形成が難しく、熱膨張の差により層分離が発生し得るため、保護管４０を使用することがむしろ便利となる。
【０４７１】
更に、保護管４０の厚さの合計が１ｍｍより小さいと、シリコン粒子３との接触や、外部衝撃により容易に破損され得る。反対に、厚さの合計が２０ｍｍより厚い場合、加熱領域Ｚｈにおいて内部加熱器８ａにとられる空間が不必要に大きくなり、シリコン粒子３の加熱効率の面でも望ましくない。
【０４７２】
前述したように、分離層３９及び／または保護管４０からなる障壁成分と分離層３９の個数、物性などの選択は、不純物拡散防止効率、電気絶縁性能、物理的安定性などをテストして事前に決定され得る。
【０４７３】
前述したように、抵抗体３８の表面に分離層３９を形成することで、加熱器ユニットによるシリコン粒子３の不純物汚染をより完全に防止するために、分離層３９は、ケイ素を障壁成分として含む１μｍ〜５ｍｍの範囲内の厚さのシリコン層を、更に含み得る。
【０４７４】
分離層３９へのシリコン層追加の必要性、および追加されるシリコン層の厚さ、位置などは、予備実験を通して決定され得る。
【０４７５】
必要な場合、分離層３９へのシリコン層の追加は、シリコン析出用反応ガスを使用して、本発明の実施例による析出反応器、または既存の析出反応器の内部において、または別途のコーティング、膜形成または反応装置を利用して実施され得る。
【０４７６】
この場合、シリコン層のコーティングは、対応する分離層３９としっかり結合し得る反応条件下で行うことが好ましい。
【０４７７】
前述した通り、加熱器ユニット製造の間、抵抗体３８の加工前後、分離層３９の形成前後、またはシリコン析出操作の前に、残留不純物の除去、または化学的改質のために、４００〜３，０００℃の温度範囲内で加熱器ユニットを熱処理することが好ましい。
【０４７８】
更に、加熱器ユニットの熱処理は、真空下または水素、窒素、アルゴン、ヘリウムなどのガス雰囲気下で実施されるのが好ましい。
【０４７９】
この熱処理は、本発明の実施例に使用される析出反応器または既存の析出反応器で実施され得る。その他、別途の熱処理装置またはコーティング装置を利用して実施することもできる。
【０４８０】
全ての実施形態を図面に図示しなかったが、本明細書と図１〜図４に例示された必要な構成及び要素を選択して組み合わせることで、本発明の実施例による方法及び装置は様々に想定され得る。
【産業上の利用可能性】
【０４８１】
上述の説明から明らかなように、本発明による流動層反応器及びこれを利用した多結晶シリコンの形成方法は、下記のような長所を提供する。
【０４８２】
（１）反応管内部にシリコン粒子層が形成された空間が、反応ガス供給部により反応領域と加熱領域に区分されるため、加熱領域でシリコンが析出及び堆積され、その結果反応器の運転が中断されるという問題が防止され得る。
【０４８３】
（２）シリコン粒子が加熱領域内にある間に２つの領域間のシリコン粒子が、流動状態で継続的に相互混合され得、領域を通過する流動ガスが加熱領域の内部空間に設置された内部加熱器により加熱されるため、シリコン析出に必要な熱量が反応領域に素早く供給され得る。
【０４８４】
（３）内部加熱器が加熱領域の内部に設置されるため、不必要な熱損失が最小化され、高収率でのシリコン析出に必要な反応温度が容易に維持され得る。
【０４８５】
（４）加熱領域の内部に設置された内部加熱器の周辺に充填材料で充填層が形成される場合、２つの領域間の早い熱伝達のために要求される、加熱領域内の流動ガスを加熱するために必要な熱量の消費は、加熱速度増加の間、加熱領域の下部方向への熱損失の減少およびシリコン粒子の流動を妨害しないことにより最小化され得る。
【０４８６】
（５）反応ガスの注入により継続的に冷却されることが必要な反応領域に、十分な熱量が供給され得るため、反応圧力が増加され得、流動層反応器の生産性が最大化され得る。
【０４８７】
（６）本発明は、シリコン粒子層が反応ガス供給部の出口を基準として反応領域と加熱領域に区分されさえすれば、いずれの形態または構造の流動層反応器に適用され得るため、粒状の多結晶シリコンの製造に広範囲で活用され得る。
【０４８８】
（７）反応管の内部と外部の圧力差が小さい範囲に維持され得るため、高圧力下におけるシリコン析出物の形成に関わらず、反応管の機械的安定性が確保され、反応管の両サイドの圧力差により生じる反応管の損傷が防止され得る。
【０４８９】
（８）不純物汚染を最小化すると同時に、シリコン粒子が効率的に加熱され得るため、本発明は、高純度の多結晶シリコン粒子の大量生産に利用され得る。
【０４９０】
この技術分野における、上記明細書において開示されているこれらの技術の概念及び具体的実施態様は、本発明と同目的の、他の実施態様における実施のための修正または設計の基礎として容易に利用し得るものと認められる。また、この技術分野における、このような同等の実施形態にかかるこれらの技術は、クレームに付随するこの発明の特質や範囲から外れるものではないと認められる。
【符号の説明】
【０４９１】
１  反応器シェル
２  反応管
３  シリコン粒子
３ａ  シリコン種晶
３ｂ  シリコン製品粒子
４  内部領域
５  外部領域
６  断熱材
７  ライナー(ｌｉｎｅｒ)
８ａ  内部加熱器
８ｂ  補助加熱器
９  電気接続器
１０  流動ガス
１１  反応ガス
１２  不活性ガス
１３  排ガス
１４  流動ガス供給部
１５  反応ガス供給部
１６  粒子排出部
１７  ガス排出部
１８  種晶供給部
１９  ガス分散部
２２  充填材料
２４，２５  内部領域接続器
２６  不活性ガス接続器
２８  外部領域接続器
３４  排ガス処理部
３５  マイクロ波発生器
３６  導波管
３７  マイクロ波
３８  抵抗体
３９  分離層
４０  保護管
４１  封止材
４２  絶縁材
Ｄ  シリコン析出物
Ｅ  電力供給源
Ｚｈ  加熱領域
Ｚｒ  反応領域
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応器シェルの内部に設置された加熱領域と加熱領域上の反応領域とを含む内部空間を有する反応管内部にシリコン粒子層を形成し；
反応ガス供給部と前記反応管の前記内壁面との間の空間に設置された内部加熱器を利用して電気抵抗加熱を実施し、
流動ガスを前記反応器シェルに供給し、
反応ガスを前記反応器シェルに供給し；及び
排ガスを前記流動層反応器の外部に排出するステップを具備する、
流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項２】
前記反応ガス供給部と前記反応管の内壁との間の空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を使用して、充填層が形成される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項３】
前記反応領域の反応温度は、６００〜１，２００℃の範囲内に維持される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項４】
前記反応管の内部は、前記内部加熱器に加えてマイクロ波により加熱される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項５】
前記流動ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項６】
単位時間当り前記加熱領域に供給される前記流動ガスの供給速度は、前記シリコン粒子が、前記反応ガスを供給することなく、前記反応領域において、反応温度範囲内で流動され始める、最小の流動状態の供給速度の１．０〜５．０倍である、請求項５に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項７】
前記反応ガスは、モノシラン、ジクロロシラン、トリクロロシラン、四塩化ケイ素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項８】
前記反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された少なくとも１種を更に含む、請求項７に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項９】
前記流動層反応器の外部に製造されたシリコン種晶は、前記反応管に供給される、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１０】
前記反応器シェルの内部空間が、前記反応管内部に形成された内部領域と前記反応器シェルと前記反応管との間に形成された外部領域に分けられており、前記内部領域には、前記シリコン粒子層が存在し、前記反応領域と前記加熱領域が含まれるが、前記外部領域には、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない、請求項１に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１１】
水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、及びこれらの混合ガスからなる群から選択された不活性ガスが、前記外部領域に導入される、請求項１０に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１２】
前記外部領域の圧力Ｐｏと前記内部領域の圧力Ｐｉの差が、０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲内に維持される、請求項１０に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１３】
前記外部領域の圧力または前記内部領域の圧力が、１〜２０バールの範囲内に維持される、請求項１２に記載の、流動層反応器を利用した粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項１４】
加熱領域と加熱領域上の反応領域とを含む内部空間を有する反応管と；
前記反応管を取り囲む反応器シェルと；
前記反応管内部に形成されたシリコン粒子層の下部に流動ガスを供給する流動ガス供給部と；
前記シリコン粒子層の内部に設置され、前記シリコン粒子層内へのシリコン析出に必要な反応ガスを供給する反応ガス供給部と；
前記反応ガス供給部と前記反応管の前記内壁との間の空間に設置され、前記流動ガスとシリコン粒子とを加熱する内部加熱器と；
排ガスを前記反応器シェルの外部に排出するガス排出部；及び、
前記反応管内に形成された前記シリコン粒子の一部を排出する粒子排出部と
を有する、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項１５】
前記反応領域および前記加熱領域は、前記反応ガスの出口の高さが基準高さとして選択されることで、それぞれ前記反応管の上部空間および下部空間に相当する、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項１６】
充填材料の充填層が、前記加熱領域内の、前記反応管の内壁、前記流動ガス供給部、前記反応ガス供給部及び前記内部加熱器により取り囲まれる空間に、前記流動ガスの流れにより流動されない充填材料を利用して形成される、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項１７】
前記シリコン製品粒子は、前記充填材料の間に形成された空間に滞留するか、前記空間を通して移動した後、前記粒子排出部によって排出される、請求項１６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項１８】
前記充填材料は、平均直径が５〜５０ｍｍであり、球体、ビーズ、ボール、顆粒、破片（ｆｒａｇｍｅｎｔ）、塊、楕円体、多面体、小石（ｐｅｂｂｌｅ）、ぺレット、リングまたは小塊、及びこれらの混合からなる群から選択された形態を有する、請求項１６に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項１９】
前記充填材料は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された物質からなる、請求項１６または１８に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２０】
前記充填材料は、単一成分物質、または厚さ方向に、各層が異なる原料で作られた複数の層からなる、請求項１９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２１】
前記反応管の内部空間は、前記シリコン粒子層が存在し、シリコン析出が生じる内部領域を含み、一方、前記反応管と前記反応器シェルとの間の空間は、前記シリコン粒子層が存在せず、シリコン析出が生じない外部領域を含む、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２２】
前記外部領域を十分に不活性ガス雰囲気に維持する不活性ガス接続器と、前記内部領域の圧力Ｐｉ及び／または前記外部領域の圧力Ｐｏを測定及び／または制御する圧力制御器と、前記外部領域の圧力Ｐｏ及び前記内部領域の圧力Ｐｉの差を０バール≦｜Ｐｏ−Ｐｉ｜≦１バールの範囲に維持する圧力差制御器とをさらに具備する、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２３】
前記外部領域に、断熱材が具備される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２４】
前記外部領域に、補助加熱器が更に設置される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２５】
前記補助加熱器の熱負荷は、前記内部加熱器の熱負荷の１０〜１００％の範囲内である、請求項２４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２６】
マイクロ波発生器により発生したマイクロ波を伝達する導波管、またはマイクロ波発生器をさらに含み、前記導波管または前記マイクロ波発生器は、前記内部領域にマイクロ波を供給するために前記反応器シェルと結合される、請求項２１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２７】
前記反応器シェルは、炭素鋼及びステンレス鋼の中から選択された少なくとも１種の金属で製造される、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項２８】
前記反応管は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス状炭素、ケイ素、及びこれらの混合物からなる群から選択される単一成分物質、または複数の物質で製造される、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項２９】
前記反応管は、単一層、または厚さ方向に、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる、請求項２８に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３０】
前記内部加熱器は、１つまたは複数個の加熱器ユニットを具備する、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３１】
前記複数個の加熱器ユニットは、直列及び／または並列に、電気的に相互接続される、請求項３０に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３２】
前記加熱器ユニットは、前記反応器シェルと結合された電気接続器を通して、電力供給源と電気的に接続される、請求項３０に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３３】
前記電気接続器は、前記反応器シェルの内部及び／または外部に設置された電極を含み、前記加熱器ユニットは、前記電極により直列及び／または並列に、電気的に相互接続される、請求項３２に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３４】
前記電極は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びカドミウム（Ｃｄ）の中から選択された少なくとも１種の金属元素を含む金属、または合金で製造されるか、表面が炭化ケイ素で処理された黒鉛で製造される、請求項３３に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３５】
前記加熱器ユニットに含まれ、厚さ方向に電気抵抗加熱が発生する抵抗体は、円形、楕円形または多角形の断面を有する棒、ワイヤー、フィラメント、バー、ストリップまたはリボン、または同心円形、楕円形または多角形の断面を有する導管、チューブ、シリンダーまたはダクトの形態であり、長さ方向に沿って前記断面の形状及び／またはサイズが不変または可変である、請求項３０に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３６】
前記抵抗体は、黒鉛、炭化ケイ素及びケイ素の中から選択された１種または２種の物質で製造される、請求項３５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成方法。
【請求項３７】
前記抵抗体は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された金属または合金で製造される、請求項３５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３８】
前記抵抗体は、ケイ化モリブデン（Ｍｏ−Ｓｉ）、ランタンクロマイト（Ｌａ−Ｃｒ−Ｏ）、ジルコニア、及びこれらの混合物からなる群から選択されたセラミック金属で製造される、請求項３５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項３９】
前記加熱器ユニットは、前記抵抗体の外部に保護管を設置するか、１つまたは複数の分離層を前記抵抗体の表面に形成するか、または前記抵抗体上に前記分離層を形成した後、前記抵抗体の外部に保護管を設置することにより構成される、請求項３５に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４０】
前記保護管は、厚さ方向に、同心円形、楕円形または多角形の断面を有する、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４１】
前記分離層と、前記保護管とのうち少なくとも一つは、各々異なる障壁成分からなる１〜５の層を含む、請求項３９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４２】
前記障壁成分は、前記抵抗体から前記シリコン粒子及び／または前記流動ガスへの不純物の移動を防止する成分を含む、請求項４１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４３】
前記障壁成分は、電気絶縁成分を含む、請求項４１に記載の粒状の、多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４４】
前記障壁成分は、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）の窒化物、酸化物、炭化物または酸窒化物を含む、請求項４１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４５】
前記障壁成分は、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ロジウム（Ｒｈ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、白金（Ｐｔ）、トリウム（Ｔｈ）、ランタン（Ｌａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテチウム（Ｌｕ）、イットリウム（Ｙ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びこれらの混合物からなる群から選択された１つまたは複数の金属元素の窒化物、酸化物、ケイ化物、ホウ化物、炭化物、酸窒化物または酸化ケイ素を含む、請求項４１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４６】
前記分離層の厚さの和は、１μｍ〜５ｍｍの範囲内であり、および／または前記保護管の厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内である、請求項４１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４７】
前記分離層は、ケイ素を障壁成分とし、１μｍ〜５ｍｍの範囲内の厚さを有するシリコン層を更に含む、請求項４１に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４８】
前記流動ガス供給部は、前記加熱領域の下部に前記流動ガスを分散するための、複数の穴を有する格子形板やディスクまたは円錐形板を有するガス分散板、またはガス分散アッセンブリを具備し、および／または複数の流動ガス供給ノズルを具備する、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項４９】
前記加熱領域に露出される前記反応ガス供給部は、前記反応ガス供給用の反応ガスノズルが、１つまたは複数のノズルにより取り囲まれる同軸多重管の形態で構成される、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５０】
前記同軸多重管の環状領域に、不活性ガスが流れる、請求項４９に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５１】
前記不活性ガスに、連続的に、断続的に、または周期的に塩化水素が添加される、請求項５０に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５２】
前記粒子排出部は、前記反応ガス供給部にそって、同軸多重管の形態で、または前記反応ガス供給部と別に独立した形態で構成される、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５３】
前記流動ガス供給部と、前記反応ガス供給部と、前記粒子排出部とのうち少なくとも一つを構成する物質は、石英、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ケイ素、ガラス状炭素、及びこれらの混合物からなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１４に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【請求項５４】
前記流動ガス供給部と、前記反応ガス供給部と、前記粒子排出部とのうち少なくとも一つは、単一成分物質、または、厚さ方向に、各層が異なる物質で作られた複数の層からなる、請求項５３に記載の、粒状の多結晶シリコンの形成装置。
【国際調査報告】
2010500274.tif 000010
2010500274.tif 000011