(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒状多結晶シリコンを製造するための流動床リアクタ（２０）であって、リアクタ頂部（１３）とリアクタ底部（１５）との間に配置され且つセグメントに分割されたリアクタチューブ（２）と、加熱設備（７）と、流動性のガスを供給するための少なくとも１つのノズル（９）と、シリコン含有反応ガスを供給するための少なくとも１つのノズル（１１）と、シリコン種粒子を供給するための設備（１２）と、製造物取出しライン（１４）と、オフガス取出しライン（１６）と、を備え、リアクタチューブ（２）が、ベースセグメント（１９）と、少なくとも１つのスペーサセグメント（１８）とを備え、ベースセグメント（１９）とスペーサセグメント（１８）との間に、炭素含有材料で形成されたフラットシール（２１）が配置されており、スペーサセグメント（１８）が、１００℃から９５０℃の温度範囲で、２Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する材料で構成されていることを特徴とする流動床リアクタ（２０）。
【請求項２】
スペーサセグメント（１８）の材料が、溶融シリカを含んでいることを特徴とする、請求項１に記載の流動床リアクタ。
【請求項３】
ベースセグメント（１９）が、５００℃から１４００℃の温度範囲で、２０Ｗ／ｍＫから１００Ｗ／ｍＫの間の熱伝導率を有する材料で構成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の流動床リアクタ。
【請求項４】
ベースセグメント（１９）の材料が、シリコン、窒化ケイ素、炭化ケイ素、鋼、グラファイト、炭素繊維で補強された炭素、および、炭素−炭素複合材料のグループから選択されることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項５】
ベースセグメント（１９）の材料が、等方圧縮されたグラファイトを備えていることを特徴とする、請求項４に記載の流動床リアクタ。
【請求項６】
ベースセグメント（１９）および／またはスペーサセグメント（１８）が、コーティングを備えていることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項７】
フラットシール（２１）の炭素含有材料が、グラファイトを備えていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項８】
リアクタチューブ（２）が、ベースセグメント（１９）に隣接するさらなるスペーサセグメント（２４）を備えており、ベースセグメント（１９）とさらなるスペーサセグメント（２４）との間に、炭素含有材料で形成されたフラットシール（２１）が同様に配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項９】
リアクタチューブ（２）が、リアクタ底部（１５）とリアクタ頂部（１３）との間に固定されていることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項１０】
リアクタ底部（１５）とリアクタチューブ（２）との間、および／または、リアクタ頂部（１３）とリアクタチューブ（２）との間に、炭素含有材料で形成されたシール（２２）が配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項１１】
リアクタ底部（１５）および／またはリアクタ頂部（１３）が、シール（２２）を収容するための凹部（２３）を備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の流動床リアクタ。
【請求項１２】
ベースセグメント（１９）とスペーサセグメント（１８）との各々が、２つの端面を有し、フラットシール（２１）が間に配置されている端面（２５、２６）の少なくとも１つがプロファイル（２７）を有し、フラットシール（２１）は、該フラットシール（２１）の側部（２８）が該プロファイルの壁に面するリアクタ内部と直面するような方法で配置されることを特徴とする、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項１３】
スペーサセグメント（１８）が、ベースセグメント（１９）の壁厚の８０％から３００％を有していることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【請求項１４】
ベースセグメント（１９）が、リアクタチューブ（２）の長さ（ＬＲ）の５０％から９９％の間に対応する長さ（ＬＢ）を有することを特徴とする、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の流動床リアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動床リアクタに関し、また、粒状多結晶シリコンを製造するためのプロセスにも関する。
【背景技術】
【０００２】
粒状多結晶シリコンは、流動床または流動床リアクタで製造される。この製造は、加熱設備によって高温まで加熱される流動床内で、シリコン種粒子を流動化するために、ガス流を使用することによって達成される。シリコン含有反応ガスを添加することにより、シリコン単体を種粒子上に堆積させて、高温の粒子表面上で堆積反応を生じさせる。これにより、種粒子の直径が増大する。完全に成長した粒子を定期的に取り出し、さらなるシリコン種粒子を添加することにより、プロセスを継続的に動作させることができる。使用されることができる、シリコン含有反応ガスの例には、シリコンとハロゲンとの化合物（例えば、クロロシランまたはブロモシラン）、モノシラン（ＳｉＨ４）、および、これらのガスと水素との混合物が含まれる。
【０００３】
堆積プロセス、および、この堆積プロセスの実施のための設備は公知である。例として、米国特許第４７８６４７７号明細書および米国特許第４９００４１１号明細書が参照される場合がある。
【０００４】
流動床リアクタに影響する一般的な問題は、反応装置の動作温度における、流動床の汚染、そしてひいては、粒状多結晶シリコンの汚染の問題である場合がある。かかる汚染の例が、特に、その内部で堆積が生じるリアクタ、特にリアクタのチューブを構成する材料によって生じる。例えば、ニッケルを含む鋼からのニッケルが流動床内に拡散し、粒状シリコンを汚染することが発生している。汚染の可能性が高い、他のステンレス鋼の構成要素が鉄およびクロムである。
【０００５】
かかる汚染を防止する、あるいは少なくとも最小限にするために、例えば、セラミックのライニングまたはコーティングを採用することが可能である。このため、国際公開第２０１５／１９７４９８号には、少なくとも６０重量％が炭化ケイ素で構成され、少なくとも９９．９９重量％が炭化ケイ素で構成されたコーティングを内側に有するベース本体を有する、リアクタチューブを有する流動床リアクタが記載されている。問題は、その全長に亘り、セラミックライニングが、機械的な欠陥に繋がる場合がある熱的および機械的な応力を受けることである。
【０００６】
述べられている熱的および機械的な応力は、流動床リアクタに影響するさらなる一般的な問題である。機械的応力には、特に、圧縮応力が含まれる。圧縮応力は、リアクタ頂部とリアクタ底部との間にリアクタチューブを固定することによって生じる場合がある。熱的応力は、特に、軸方向の温度勾配の結果として生じる。これら温度勾配は、通常、リアクタチューブが、特に流動床の領域において、局所的に限定された加熱にさらされている際に生じる。軸方向の温度勾配は、特に、リアクタチューブの加熱される流動床ゾーンと、冷却される固定部（例えば、リアクタ頂部およびリアクタ底部）との間に生じる場合があり、また、周方向、または、長手方向におけるクラックに繋がり得る。
【０００７】
基本的には、機械的および熱的な負荷を分散させ、除去するために、セラミック材料、黒鉛材料、または石英ベースの材料から形成されたチューブセクションが、金属セグメントの少なくとも一方の側において、側面に配置されることが可能である。しかし、金属材料は、汚染の発生源を構成する場合がある。例えば、柔らかい金属は、流動化したシリコン粒子との接触によって摩耗（摩滅）する傾向にある。シリコン粒子は摩耗による金属粒子によって汚染される場合がある。さらに、摩耗の結果として、金属セグメントにおいてクラックが生じる場合がある。これらセグメントのメンテナンスには、リアクタのシャットダウンが必要である。
【０００８】
国際公開第０２／４０４００号には、シリコン含有ガスの分解により、高純度の粒状シリコンを製造するためのリアクタが開示されている。リアクタは、炭化ケイ素をベースとする炭素繊維で補強された材料で構成されている。このケースでは、リアクタの底部および頂部における断熱領域は、比較的低い熱伝導率を有する炭素繊維で補強された炭化ケイ素材料で構成されているが、他の領域は、高い熱伝導率の、炭素繊維で補強された炭化ケイ素材料で構成されている。この方法で、熱応力を非常に大きく避けることが意図されている。
【０００９】
問題は、この種類のリアクタチューブが、リアクタの中間ジャケット内に位置する不活性ガスに関し、ガスの不浸透性に関する制限を示す場合があることである。さらに、元々は炭化ケイ素から生じる炭素による、粒状シリコンの汚染の可能性がある。
【００１０】
国際公開第２０１４／０９９５０２号には、シリコン含有ガスの熱分解のために、流動床リアクタで使用するためのライニングが記載されている。ライニングは、リアクタチューブの内部に配置されており、また、少なくとも２つの部分の構成を有している。このライニングは、例えば石英または炭化ケイ素などの汚染の少ない非金属で形成された中間セクションと、やはり、マルテンサイト系鋼合金で形成された表面を有する下方セクションとを備えている。
【００１１】
欠点は、冷却において、または、２つの材料間の熱膨張の差異のために、層間剥離もしくは材料の欠損の場合などの損傷、または、材料の欠損すらも、運転中にさえ、生じ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４７８６４７７号明細書
【特許文献２】米国特許第４９００４１１号明細書
【特許文献３】国際公開第２０１５／１９７４９８号
【特許文献４】国際公開第２００２／４０４００号
【特許文献５】国際公開第２０１４／０９９５０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、従来技術から既知である欠点を避ける、粒状多結晶シリコンを製造するための流動床リアクタを提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的は、粒状多結晶シリコンを製造するための流動床リアクタであって、リアクタ頂部とリアクタ底部との間に配置された、セグメントに分割されたリアクタチューブと、加熱設備と、流動性のガスを供給するための少なくとも１つのノズルと、シリコン含有反応ガスを供給するための少なくとも１つのノズルと、シリコン種粒子を供給するための設備と、製造物取出しラインと、オフガス取出しラインと、を備え、セグメントに分割されたリアクタチューブが、加熱設備がアサインされたベースセグメントと、少なくとも１つのスペーサセグメントと、を備え、ベースセグメントとスペーサセグメントとの間に、炭素を含む材料で形成されたフラットシールが配置されており、スペーサセグメントが、１００℃から９５０℃の温度範囲で、２Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有する材料で構成されている、流動床リアクタによって達成される。
【００１５】
スペーサセグメントの材料は、好ましくは、１５０℃から８００℃の温度範囲内、より好ましくは、２５０℃から６００℃の温度範囲内で、２Ｗ／ｍＫ未満の熱伝導率を有している。
【００１６】
スペーサセグメントの材料は、好ましくは、溶融シリカ（または溶融石英）、より詳細には、純粋な、乳白色、または黒色の溶融シリカを含んでいる。溶融シリカは、好ましくは、特に珪岩から得られた、無定型の二酸化ケイ素で構成されている。特に好ましくは、スペーサセグメントの材料は、シリコン以外のさらなる補助剤を含まない。乳白色の溶融シリカは、材料内にガスを含むことの結果として乳白色を示す溶融シリカである。黒色の溶融シリカは、遊離したシリコンが分散した溶融シリカである。
【００１７】
ベースセグメントは、好ましくは、５００℃から１４００℃、好ましくは６００℃から１２５０℃の温度範囲内で、２０Ｗ／ｍＫから１００Ｗ／ｍＫの間、好ましくは３０Ｗ／ｍＫから９０Ｗ／ｍＫの間、より好ましくは４０Ｗ／ｍＫから８０Ｗ／ｍＫの間の熱伝導率を有する材料で構成されている。
【００１８】
ベースセグメントの材料は、好ましくは、シリコン、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、鋼、グラファイト、および、炭素−炭素複合材料（例えば、炭素繊維で補強された炭素）のグループから選択される。
【００１９】
ベースセグメントの材料は、好ましくは、焼結されたＳｉＣ、窒化物が接合したＳｉＣ、再結晶したＳｉＣ、または、反応で結合したＳｉＣを含んでいる。これらの混合物も考えられる。
【００２０】
特に好ましくは、ベースセグメントの材料は、等方圧縮されたグラファイト、または、巻きグラファイトシートを含んでいる。
【００２１】
さらに、ベースセグメントおよび／またはスペーサセグメントがコーティングを含むことが好ましい場合がある。このコーティングは、好ましくは、内壁（すなわち、リアクタ内部に向けられた壁）に施されている。特に好ましくは、ベースセグメントは、その内壁に、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、またはシリコンのコーティングを有する。全体としてのセグメントのコーティングも可能である。
【００２２】
フラットシールの炭素含有材料は、好ましくは、グラファイト、より詳細には、膨張グラファイトを備えている。フラットシールは、概して、実質的に円筒状のシールを備えている。このシールの直径は、内径および外径を介して、かつ、やはり厚さを介して、規定される。外径と内径との間の比は、好ましくは、１から１．２の間、より好ましくは、１．０２から１．１０の間である。厚さは、好ましくは１ｍｍから１０ｍｍ、より好ましくは１．５ｍｍから５ｍｍである。
【００２３】
ベースセグメントは、流動床リアクタが動作中に流動床が配置される、リアクタチューブのセクションを形成する。流動床は、必ずしも、セクション全体に亘っては拡がっていない。流動床が配置される場所は、反応ゾーンとも呼ばれる場合がある。ベースセグメントの熱伝導率のために、反応ゾーンに必要とされる熱は、ベースセグメントにアサインされた加熱設備によって効率的に供給されることができる。
【００２４】
スペーサセグメントは、（介在するフラットシールを介して）ベースセグメントに隣接しており、また、リアクタチューブのセクションを形成する。このセクションでは、リアクタが動作中には、有効な温度は、反応ゾーンよりも低い。概して、このセクションにおける温度は、９５０℃を超えない。スペーサセグメントの領域における温度は、通常、２０℃（リアクタ頂部とリアクタ底部とのそれぞれの近傍）から５００℃（フラットシールの領域）の間である。このセクションには、加熱設備がアサインされていないことが好ましい。流動床の（リアクタ頂部の方向における）上端部、および／または、（リアクタ底部の方向における）下端部が、スペーサセグメントによって形成されたリアクタチューブのセクションに延びる場合がある。具体的には、流動床の下端部は、リアクタ底部とベースセグメントとの間に配置されたスペーサセグメントによって形成された、リアクタチューブのセクションに延びる場合がある。流動床の下端部は、リアクタ底部へと下方に達する場合がある。
【００２５】
リアクタチューブの外側または内側の温度は、基本的に、パイロメータ（スペクトルもしくは比率のパイロメータ）、または、熱電対によって判定される場合がある。パイロメータによる温度の判定に関し、視認用ウインドウがリアクタ容器および／またはリアクタチューブ内に配置されることが可能である。視認用ウインドウは、通常、溶融シリカ、ホウケイ酸ガラス、ＢａＦ２、サファイアガラス、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＣａＦ２、ＢａＦ２、またはＭｇＦ２で構成されている。
【００２６】
熱電対は、異なる軸方向の位置、および任意選択的には、外側のリアクタチューブ上の異なる接線方向の位置に配置される場合がある。異なる軸方向の位置における、少なくとも２つのそのような測定が、慣習的である。
【００２７】
好ましい一実施形態によれば、リアクタチューブは、ベースセグメントの側部に位置するさらなるスペーサセグメントを備えており、好ましくは、ベースセグメントとさらなるスペーサセグメントとの間に、炭素含有材料で形成されたフラットシールが同様に配置されている。
【００２８】
リアクタチューブは、好ましくは、３つのセグメント、より詳細には、１つのベースセグメントと２つのスペーサセグメントとで構成されている。
【００２９】
リアクタチューブは、好ましくは、リアクタ底部とリアクタ頂部との間に固定されている。したがって、リアクタ頂部およびリアクタ底部も、固定部と称される場合がある。「固定されている（ｆｉｘｅｄ）」により、リアクタチューブが軸方向の圧力にさらされることが意味される。この固定に関し、テンションバネおよび補正器を使用することが可能である。
【００３０】
リアクタ底部とリアクタチューブとの間、および／または、リアクタ頂部とリアクタチューブとの間には、好ましくは、炭素含有材料で形成されたシールが配置されている。シールは、好ましくは、同様に、上述のようなフラットシールである。しかし、シールは、特に、記載のフラットシールと同じ材料で構成される場合がある、Ｏリングの形態のシールである場合もある。
【００３１】
リアクタ底部および／またはリアクタ頂部は、好ましくは、シールを収容するための凹部を備えている。この方法で、シールとリアクタ内部との間の接触が防止されることができる。このことは、シールの耐久性に関して有益であり、また、製品の汚染のリスクをも低減もする。
【００３２】
任意選択的に介在するシールを介するスペーサセグメントは、好ましくは、リアクタ頂部またはリアクタ底部に隣接している。換言すると、少なくとも１つの側部上のスペーサセグメントが、リアクタチューブの端部を形成する。
【００３３】
リアクタ頂部および／またはリアクタ底部、すなわち固定部は、好ましくは、冷却材回路を保持している。リアクタ頂部とリアクタ底部との両方が、別々の冷却材回路を保持することが好ましい。水が、使用される好ましい冷却材である。冷却材の温度は、例えば冷却材の流入部および冷却材の流出部において、抵抗温度計を使用して、冷却材の温度を測定することによって判定されることができる。
【００３４】
流動床をリアクタチューブに配置することから、反応ゾーンから、通常は冷却されるリアクタ頂部およびリアクタ底部、すなわち固定部への熱の流れが存在する。より簡潔には、リアクタチューブは、その中間の領域において加熱され、一方、その端部が冷却される。したがって、リアクタチューブ内に、軸方向の温度勾配が存在する。この温度勾配が生じる場所では、軸方向の温度勾配は、リアクタチューブの機械的負荷に繋がる。
【００３５】
本発明に係る、リアクタチューブの、セグメントに分割された（複数の部分の）設計の結果として、軸方向の温度勾配は、低い熱伝導率で、非常に大きく、スペーサセグメント内に移動される。２Ｗ／ｍＫ未満のスペーサセグメントの低い平均熱伝導率は、熱損失が低減されることに繋がる。２０℃から５００℃の間の温度範囲における、特に溶融シリカは、平均熱伝導率が１．７Ｗ／ｍＫに過ぎず、したがって、概して冷却されるリアクタ頂部および／またはリアクタ底部を介しての熱損失を著しく低減することが可能である。したがって、軸方向の熱の流れが少ないことの結果として、ベースセグメントにおける軸方向の温度勾配も低減される。
【００３６】
さらに、０℃から５００℃の間の温度範囲では、溶融シリカは、０．４＊１０−６Ｋ−１から０．７＊１０−６Ｋ−１の、低い熱膨張率を有するに過ぎない。さらに、溶融シリカは、５００００ＭＰａから８００００ＭＰａの低い弾性係数（弾性率）を有するのみである。結果として、この材料で熱的に印加された応力は低い。
【００３７】
さらに、溶融シリカを使用することは、製品の品質の向上に繋がる。この理由は、堆積の間、例えばマルテンサイト系鋼合金のケースで生じ得るような、金属（例えばニッケル）の放出がされないためである。さらに、溶融シリカの場合、ＳｉＣで形成されたセグメント、または、ＳｉＣでコーティングされたグラファイトで形成されたセグメントとは対照的に、剥離、または、反応ガスによる化学的侵食によっては、カーボンは放出されない。
【００３８】
ベースセグメントとスペーサセグメントとの間でフラットシールを使用することにより、驚くべきことに、リアクタチューブ、具体的には加熱されるセクションの熱的な耐力をさらに向上させることができる。フラットシールの炭素含有材料により、セグメント間の直接の摩擦接触が防止される。フレキシブルシールの材料は、各セグメントの異なる径方向の膨張を吸収することが可能である。この方法で、各セグメントが機械的に結合解除され、また、リアクタチューブにおける熱的に誘起された応力、特に接線方向の応力が、全体として最小化される。
【００３９】
さらなる実施形態によれば、ベースセグメントとスペーサセグメントとの各々は、２つの端面を備え、フラットシールが間に配置されている端面の少なくとも１つが、リアクタ内部に向いているフラットシールの側部がシールドされているような方法で、フラットシールが配置されているプロファイルを有している。
【００４０】
本明細書では、「シールドされている（ｓｈｉｅｌｄｅｄ）」により、特に、フラットシールが、リアクタ内部を向いているフラットシールの側部が、プロファイルの壁に面するような方法で、プロファイルの壁の後ろに配置される。
【００４１】
フラットシールをシールドすることは、汚染をさらに低減することに繋がる。この理由は、炭素含有材料が、リアクタ内部からの、直接的な粒子の接触、および、ガスの接触から保護されるためである。この方法で、剥離、または、反応ガスの化学的侵食によるシール材料からの炭素の放出が最小にされるか、全体的に防止される。
【００４２】
スペーサセグメントは、好ましくは、ベースセグメントの壁厚の８０％から３００％、より好ましくは１００％から２５０％、さらにより好ましくは１５０％から２００％を含んでいる。
【００４３】
さらに、ベースセグメントは、好ましくは、リアクタチューブの長さＬＲの５０％から９９％、好ましくは６０％から９８％、より好ましくは７０％から９７％に対応する長さＬＢを有する。
【００４４】
本発明のさらなる態様は、記載の流動床リアクタで実施される粒状多結晶シリコンを製造するためのプロセスである。このプロセスには、シリコン含有反応ガスを添加しつつ、加熱設備によって加熱される流動床内のガス流によってシリコン種粒子を流動化して、多結晶シリコンをシリコン種粒子表面上に堆積させることが含まれる。
【００４５】
結果として得られる粒状多結晶シリコンは、好ましくは、流動床リアクタから取得される。次いで、リアクタチューブの内壁（壁の堆積物）、および、他のリアクタの構成要素のあらゆるシリコンの堆積物は、エッチングガスを反応ゾーンに供給することによって除去されることができる。エッチングガスは、好ましくは、塩化水素または四塩化ケイ素を含んでいる。
【００４６】
高温のシリコン種粒子表面上に多結晶シリコンを堆積させる間、リアクタチューブの内壁、および、他のリアクタの構成要素にシリコンが堆積することを防止するために、エッチングガスが継続的に供給されることも好ましい。エッチングガスは、好ましくは、フリーボードゾーンとして知られる領域（流動床の上方のガスの空間）に局所的に供給される。
【００４７】
壁の堆積物は、堆積プロセスと交互に、エッチングガスによって周期的に除去されることができる。代替的には、エッチングガスは、壁の堆積物の構築を防止するために、堆積の間、継続的に供給されることができる。
【００４８】
このプロセスは、好ましくは、堆積の結果として、その直径が完全に成長したシリコン粒子を、リアクタから継続的に取り出し、新しいシリコン種粒子を計量しつつ追加することにより、継続的に動作される。
【００４９】
使用されることが好ましいシリコン含有反応ガスは、トリクロロシランである。このケースにおける反応ゾーン内の流動床の温度は、少なくとも９００℃であり、好ましくは、少なくとも１０００℃である。流動床の温度は、好ましくは、少なくとも１１００℃、より好ましくは、少なくとも１１５０℃、より具体的には、少なくとも１２００℃である。反応ゾーン内の流動床の温度は、１３００℃から１４００℃にも達する場合がある。特に好ましい一実施形態によれば、反応ゾーン内の流動床の温度は、１１５０℃から１２５０℃である。この温度範囲内では、最大の堆積量が達成されるが、温度が上昇し続ける場合、再び低下する。
【００５０】
使用されることができる他のシリコン含有反応ガスは、モノシランである。その場合、反応ゾーン内の流動床の温度は、好ましくは５５０℃から８５０℃である。使用されることができる、さらに別のシリコン含有反応ガスは、ジクロロシランである。その場合、反応ゾーン内の流動床の温度は、好ましくは６００℃から１０００℃である。
【００５１】
流動性のガスは、好ましくは、水素、アルゴン、窒素、およびこれらの混合物のグループから選択される。
【００５２】
反応ガスは、一つ以上のノズルを介して、流動床内に導入される。ノズルの出口部における局所的なガスの速度は、好ましくは、０．５ｍ／ｓから２００ｍ／ｓである。流動床を通って流れるガスの量全体に基づく、シリコン含有反応ガスの濃度は、好ましくは、５ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％、より好ましくは、１５ｍｏｌ％から４０ｍｏｌ％である。
【００５３】
反応ガスノズルを通って流れるガスの量全体に基づく、反応ガスノズル内のシリコン含有反応ガスの濃度は、好ましくは、５ｍｏｌ％から８０ｍｏｌ％、より好ましくは、１４ｍｏｌ％から６０ｍｏｌ％である。
【００５４】
絶対的なリアクタ圧力は、好ましくは、１ｂａｒから１０ｂａｒの範囲、より好ましくは、１．５ｂａｒから５．５ｂａｒの範囲で変化する。
【００５５】
例えば、４００ｍｍの、反応ゾーンの内径を有するリアクタのケースでは、シリコン含有反応ガスの質量流量は、好ましくは、３０ｋｇ／ｈから６００ｋｇ／ｈである。水素の体積流量は、好ましくは、５０Ｎｍ３／ｈから５００Ｎｍ３／ｈである。より大きいリアクタに関し、より大量の、シリコン含有反応ガスおよび水素が好ましい。
【００５６】
特定の運転パラメータが、リアクタサイズに応じて選択されるものであると知られている。したがって、以下のパラメータが、標準化されたリアクタの断面積に関して述べられている。
【００５７】
シリコン含有反応ガスの特定の質量流量は、好ましくは、４００ｋｇ／（ｈ＊ｍ２）から６５００ｋｇ／（ｈ＊ｍ２）である。特定の水素の体積流量は、好ましくは、８００Ｎｍ３／（ｈ＊ｍ２）から４０００Ｎｍ３／（ｈ＊ｍ２）である。特定の流動床の重量は、好ましくは、７００ｋｇ／ｍ２から２０００ｋｇ／ｍ２である。特定のシリコン種粒子計測量は、好ましくは、１ｋｇ／（ｈ＊ｍ２）から１００ｋｇ／（ｈ＊ｍ２）である。特定のリアクタ加熱出力は、好ましくは、８００ｋＷ／ｍ２から３０００ｋＷ／ｍ２である。流動床内の反応ガスの残留時間は、好ましくは０．１秒から１０秒、より好ましくは０．２秒から５秒である。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】流動床リアクタの概略的構成を示す図である。
【図２】本発明の流動床リアクタの好ましい実施形態に係るリアクタチューブの断面での表示を示す図である。
【図３】本発明の流動床リアクタの好ましい実施形態に係るリアクタチューブの断面での表示を示す図である。
【図４】本発明の流動床リアクタの好ましい実施形態に係るリアクタチューブの断面での表示を示す図である。
【図５】本発明の流動床リアクタの好ましい実施形態に係るリアクタチューブの断面での表示を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１は、リアクタ容器１を備えた流動床リアクタ２０を示している。このリアクタ容器１には、セグメントに分割されたリアクタチューブ２が挿入されている（セグメントの分割は示されていない）。リアクタチューブ２は、リアクタ頂部１３とリアクタ底部１５との間に固定されている。リアクタ容器２の内壁４とリアクタチューブ２の外壁３との間には、中間空間５が位置している。この空間は、通常、絶縁材料を含んでおり、また、不活性ガスで充填されている場合がある。中間空間５内の圧力は、リアクタチューブ２の内部における圧力よりも高い。リアクタ２０が動作していると、流動床６が、破線で示されている領域内に配置されている。流動床６は、加熱設備７によって加熱される。反応チューブ２には、ライン８およびノズル９を介して、流動性のガスが供給される。反応ガスの混合物が、ライン１０およびノズル１１を介して供給される。反応ガスの混合物を供給するためのノズル１１の高さは、流動性のガスを供給するためのノズル９の高さとは異なっている場合がある。
【００６０】
リアクタチューブ２には、リアクタ頂部１３において、設備１２を介してシリコン種粒子が供給されている。完成した粒状ポリシリコンが、リアクタ底部１５において、製造物取出しライン１４を介して除去される。リアクタ頂部１３においては、さらに、オフガス取出しライン１６を介してオフガスが取り出される。
【００６１】
図２は、本発明の流動床リアクタの好ましい一実施形態に係る、リアクタ底部１５の領域における、セグメントに分割されたリアクタチューブ２の断面表示を示している。
【００６２】
リアクタ底部１５は、冷却回路１７を備えた底部プレートである。リアクタチューブは、リアクタ底部１５と、図示されていないリアクタ頂部１３との間に固定されている。筒状スペーサセグメント１８が、フラットシール２１を介してベースセグメント１９に接合されている。したがって、リアクタチューブ２は、２つのセグメントで構成されている。スペーサセグメント１８の厚さは、ベースセグメント１９の厚さの約１７５％である。スペーサセグメント１８とリアクタ底部１５との間には、シール２２が配置されている。このシール２２は、リアクタ底部１５の凹部２３内に部分的にセットされている。
【００６３】
図３は、本発明の流動床リアクタ２０の好ましい一実施形態に係る、リアクタ底部１５およびリアクタ頂部１３の領域における、セグメントに分割されたリアクタチューブ２の断面表示を示している。
【００６４】
図２に係る実施形態とは対照的に、リアクタチューブ２は、さらなるスペーサセグメント２４を有している。このスペーサセグメント２４は、フラットシール２１を介してベースセグメント１９に接合されるとともに、シール２２を介してリアクタ頂部１３に接合されている。したがって、リアクタチューブ２は、３つのセグメントで構成されている。長さに関し、スペーサセグメント２４は、設計では、スペーサセグメント１８よりも短い。この理由は、加熱設備７が中間空間５の下半分に配置されている場合（図１参照）、リアクタチューブの上方領域の温度が、下方領域よりも低いためである。ベースセグメントの長さＬＢは、リアクタチューブ２の全長ＬＲの約８５％である。リアクタ頂部１３およびリアクタ底部１５の冷却回路は、図示されていない。
【００６５】
図４は、本発明の流動床リアクタ２０の好ましい一実施形態に係る、リアクタ底部１５の領域における、セグメントに分割されたリアクタチューブ２の断面表示を示している。
【００６６】
図２に関する設計とは対照的に、スペーサセグメント１８は、ベースセグメント１９に面している端面２５上のプロファイル２７を有している。フラットシール２１は、プロファイル２７の後方に配置されており、そのため、リアクタ内部に向いているフラットシールの側部２８（リアクタチューブ２の右側）が、シールドされている。
【００６７】
図５は、本発明の流動床リアクタ２０の好ましい一実施形態に係る、リアクタ底部１５の領域における、セグメントに分割されたリアクタチューブ２の断面表示を示している。
【００６８】
スペーサセグメント１８の端面２５と、ベースセグメントの端面２６との両方が、プロファイル２７を有している。スペーサセグメント１８とベースセグメント１９とは、ほぼ同じ壁厚を有している。プロファイル２７は、ベースセグメント１９とスペーサセグメント１８とが、リアクタチューブ２の外壁３上で同一面となっているような方法で、フラットシール２１が介在された状態で組み立てられている。リアクタチューブ２の内壁２９でも、セグメント１８とセグメント１９とが、基本的に同一面を形成している。図４に係る設計に関し、フラットシール２１は、端面２５、２６のプロファイルによってシールドされている。
【００６９】
比較例
リアクタチューブがセグメントに分割されておらず、リアクタ底部に冷却水回路を伴う流動床リアクタが、９００℃の流動床温度で、トリクロロシランで動作される。リアクタチューブの直径が０．８ｍ、および、全長が２．５ｍの場合、６３．３ｋｇ／ｈの粒状シリコンのシリコン堆積量を達成することが可能である。使用されるリアクタチューブの材料は、ＳｉＣコーティングを有するグラファイトである。リアクタチューブ内の温度勾配は、４０５０Ｋ／ｍ以下であり、加熱設備の下縁部（図１参照）と、リアクタ底部との間に位置している。冷却されたリアクタ底部への軸方向の熱の流れは、５．０９ｋＷである。流動床の温度のさらなる上昇、そしてひいては、堆積量の上昇は、リアクタチューブが、加熱設備とリアクタ底部との間（最大の温度勾配）で破れることから、不可能である。
【００７０】
発明の例
図４に係る流動床リアクタ（２つのセグメントのリアクタチューブ、そうでなければ、構成が同一である）は、対照的に、１０５０℃の流動床温度で、トリクロロシランで動作される場合がある。ベースセグメントは、ＳｉＣでコーティングされたグラファイトで構成されている。スペーサセグメントは、不透明な溶融シリカで構成されている。間に配置されているのは、膨張グラファイトで形成されたフラットシールである。リアクタ底部とスペーサセグメントとの間に配置されているのは、フルオロエラストマ（Ｖｉｔｏｎ（Ｒ））で形成されたフラットシールである。シリカチューブセクションの寸法は、スペーサセグメントに面したベースセグメント端面が、約６５０℃の温度を達成するような寸法である。スペーサセグメントの長さは４５ｍｍである。リアクタチューブ内の最大の軸方向温度勾配は３４２０Ｋ／ｍに低減されている。堆積量は、９３．４ｋｇ／ｈの粒状シリコンに増大させることが可能である。堆積量をさらに増大させることが依然として可能である。冷却されたリアクタ底部への、軸方向の失われた熱の流れは、０．５ｋＷである。
【００７１】
失われた熱の流れは、以下の方程式にしたがって、リアクタ底部の冷却回路上の熱のバランスによって計算されることができる。
【００７２】
【数１】
0006921998.tif 000002
【００７３】
【数２】
0006921998.tif 000003
固定部分に亘る熱量［Ｗ］
ＣＷ（インデックス）：冷却水
【００７４】
【数３】
0006921998.tif 000004
固定部を冷却するための冷却水の質量流量［ｋｇ／ｓ］
【００７５】
【数４】
0006921998.tif 000005
一定の冷却水の平均比熱容量［Ｊ／（ｋｇＫ）］
【００７６】
【数５】
0006921998.tif 000006
冷却水の流入温度［Ｋ］
【００７７】
【数６】
0006921998.tif 000007
冷却水の流出温度［Ｋ］
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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