反応炉壁へのシリコンの析出を低減する流動層反応炉システム及び方法
流動層反応炉のガス分配ユニットは、熱分解可能な化合物を反応炉の中央部分へ反応炉壁から遠ざかるように向けられ、反応炉壁に材料の析出を防止する。そして、反応炉内において多結晶シリコン製品を作製するプロセスにより、上記反応炉壁に析出するシリコン量を減少させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応炉システムに関し、例えば、シラン等の熱分解可能なシリコン化合物から多結晶シリコンを作製することに関する。
【背景技術】
【０００２】
多相反応（multiphase reactions）を実行するため流動層反応炉が用いられている。典型的な流動層反応炉システムにおいて、触媒若しくは成長中の製品粒子等の粒状材料の流動層に流体を通過させる。流体のフローにより、当該反応炉において粒状材料の流動層は流動化される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの流動層反応炉システムにおいて、特に液相からの材料が化学的に分解され固体材料が形成されるシステムにおいて、固体が反応炉壁に析出しうる。壁部への析出は、反応炉の形状を変更してしまい、これにより、通常、反応炉の性能を低下させる可能性がある。さらに、壁部への析出物の一部は、反応炉壁から剥離し、反応炉の底部まで落下しうる。通常、剥離した析出物を取り除くため、反応炉システムの操業が停止される。反応炉の不慮の中断を防止するため、定期的に、析出物を反応炉壁からエッチング除去し反応炉を洗浄しなければならず、そのため、反応炉の生産性は低下する。これらの問題は、多結晶シリコンの生産において用いられる流動層反応炉システムにおいて特に深刻である。
【０００４】
そのため、反応炉壁に形成された析出量を制限若しくは減少させる、多結晶シリコンを製造するための反応炉システム及び方法に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一の側面は、反応チャンバー及び該反応チャンバーにガスを均一に分配するための分配装置を有する反応炉内において多結晶シリコン製品を製造するプロセスに関する。当該反応チャンバーは、少なくとも一つの反応チャンバー壁を有する。上記分配装置は、ガスソースと反応チャンバーとの流体的接続を提供する複数の分配開口部を有し、複数の分配開口部は、少なくとも一つの外周開口部と、少なくとも一つの中央開口部と、を有する。本発明のプロセスによれば、キャリアーガス及び熱分解可能なシリコン化合物は、分配装置の分配開口部を介して反応チャンバーまで供給される。当該反応チャンバーにおいて、外周開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガスの濃度は、反応炉壁に析出されるシリコン量を低減するため、中央開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガスの濃度を上回る。シリコン粒子上にシリコンを析出させるため、反応チャンバー内において上記熱分解可能なシリコン化合物をシリコン粒子と接触させ、これによりシリコン粒子のサイズが増加する。
【０００６】
本発明の別の側面は、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーに第１ガス及び第２ガスを分配するための分配装置であって、少なくとも１つの外周開口部と少なくとも１つの中央開口部とを含む複数の分配開口部を備え、上記外周開口部は、第１ガスソースとは流体的接続を提供するが第２ガスソースとは流体的接続を提供しないように構成された分配装置に関する。
【０００７】
本発明のさらに別の側面は、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーと、上記反応チャンバーにガスを分配し、第１ガスソース及び第２ガスソースの両方と上記反応チャンバーとの間の流体的接続を提供する複数の分配開口部を備える分配装置と、を備え、上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と少なくとも１つの中央開口部とを備え、上記外周開口部は、第１ガスソースと流体的に接続されているが、第２ガスソースとは流体的に接続されていない流動層反応炉システムに関する。
【０００８】
本発明の上記側面について言及された特徴に関して様々な限定が存在する。また同様に、別の特徴を本発明の上記側面に加えてもよい。例えば、本発明の例示された実施の形態のいずれかに関連して以下に議論される様々な特徴を本発明の上述の側面のいずれかに、単独で若しくはいずれかの組み合わせで組み込んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、流動層反応炉システムに注入及び排出されるフローの概略である。
【図２】図２は、ガス分配ユニットの一実施の形態に係る長手方向断面である。
【図３】図３は、ガス分配ユニットの第２の長手方向断面である。
【図４】図４は、ガス分配ユニットの分配装置の下面図である。
【図５】図５は、ガス分配ユニットの分配装置の上面図である。
【図６】図６は、ガス分配ユニットの長手方向斜視図である。
【図７】図７は、粒状多結晶シリコン反応炉システムにおいて起こる反応メカニズムの概略図である。
【図８】図８は、従来の析出方法及び図１〜６の流動層反応炉及び分配ユニットを含む本発明の方法に係る反応炉壁への析出率のコンピューターシミュレーションのグラフ図である。対応する参照文字は、図面を通して、対応する部材を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここに記載された流動層反応炉システム及びガス分配ユニットは、第１ガス及び第２ガスを流動層反応炉に分配し、化合物を複数のガスのうち１つから流動化された粒子の表面上に析出させるに適している。当該反応炉システム及び分配ユニットは、反応炉壁に熱分解可能な化合物の析出（具体的には、シランからのシリコンの析出）の速度を低減させるのに特に適している。反応システムの分配装置は、上記反応炉壁への材料（具体的にはシリコン等）の析出を防止するため、上記反応炉壁から反応炉の中央部分まで上記熱分解可能な化合物を方向付けるように構成されている。当該システムは、表題の”多結晶シリコンを製造するためのプロセス”の下、以下に言及しているように、熱分解可能なシリコン化合物から多結晶シリコンを作製するために使用される。
【００１１】
Ｉ．流動層反応炉システム
以下、図１を参照する。本発明の実施の形態により構成された流動層反応炉を、概して１により示す。反応炉システム１は、反応チャンバー１０とガス分配ユニット２とを含む。第１ガスソース５と第２ガスソース７とは分配ユニット２に導入され、それぞれのガスを反応チャンバー１０の入口に均一に分配する。分配ユニット２は、反応チャンバー１０を介した反応性ガスを均一に分配することを助力し、これにより、上記反応チャンバー１０において、流動化された粒子への材料の析出速度を最小化する。
【００１２】
ここで使用されているように、”第１ガス”は、”第２ガス”と異なる成分を有するガスであり、逆も言える。上記第１ガス及び第２ガスは、上記第１ガスにおける少なくとも１種の化合物の質量組成若しくはモル組成が、第２ガスにおける化合物の組成と異なる限り、複数の気体の混合物から構成されていてもよい。製品抜取チューブ１２は、ガス分配ユニット２を通って延びる。製品粒子をチューブ１２から抜き出し製品貯蔵庫１５に搬送してもよい。使用済みガス１６は、反応チャンバー１６から排出され、これをさらに別のプロセスユニット１８に導入してもよい。
【００１３】
図２にガス分配ユニット２をより詳細に示す。ガス分配ユニット２は、第１ガス及び第２ガスを流動層反応炉へ分配するのに適しており、特に、キャリアーガス及び熱分解可能なガスを流動層反応炉に分配するのに適している。
【００１４】
ガス分配ユニット２は、入口側ブロック２１、分配装置２５、及びテイパーライナー２８を有する。外部環状リング３７及び同心円上にある内部環状リング３９は、入口側ブロック２１と分配装置２５との間に配置されている。第１ガスプレナム３２は、外部環状リング３７と内部環状リング３９との間に規定されている。製品回収チューブ１２は、外部環状リング３７及び内部環状リング３９と同心円上にある。チューブ１２は、入口側ブロック２１の下に延びる。第２ガスプレナム３４は、内部環状リング３９とチューブ１２との間に規定されている。
【００１５】
テイパーライナー２８は、ライナーチャンバー４５を規定する。ライナーチャンバー４５は、反応チャンバー（不図示）の円柱部分に向かって開口し、分配装置２５から反応チャンバーの円柱部分まで外側に向かって拡径している。粒子及び流入したガスがライナーチャンバー４５に接触し、システム反応の大部分が当該ライナーチャンバーにおいて起こるため、当該ライナーチャンバーは、反応チャンバーの一部であると見なされる。応用のために、ここで使用される”反応チャンバー”には、ライナーチャンバー４５が含まれる。
【００１６】
一連の外周分配開口部４２及び中央分配開口部４４を分配装置２５内に配置する。ここで使用されているように、”外周分配開口部”若しくは”外周開口部”は、実質的に、中央開口部に関して、反応チャンバーの外側の壁部近くにある分配開口部を意味し、”中央分配開口部”若しくは”中央開口部”は、実質的に、外周開口部に関して内側にある分配開口部を意味する。外周開口部４２は、第１ガスプレナム３２及び反応チャンバー１０と流体的に接続されている。中央開口部４４は、第２ガスプレナム３４及び反応チャンバー１０と流体的に接続されている。一般的に、外周開口部は、第２ガスと流体的に接続されておらず、中央開口部は、第１ガスと流体的に接続されていない。
【００１７】
第１ガスが、粒子上への材料の析出に寄与しないとき（若しくは第２ガス程寄与しないとき）（具体的には、第１ガスが水素、若しくは希ガス等の不活性ガスであるとき）、外周開口部が第１ガスと流体的に接続されるように構成することにより、内部スペースと比較して、より大きな濃度の第１ガスを反応チャンバー壁部に存在させることができる。これにより、第１及び第２ガスが分配装置２５を介して均一に分配される構成と比較して、第２ガスから反応炉壁上に析出される材料を減少させることができる。
【００１８】
いくつかの実施の形態において、外周開口部の一部は、第２ガスと流体的に接続されており、中央開口部の一部は、第１ガスと流体的に接続されている。これらの実施の形態において、上記第１ガスに流体的に接続された外周開口部の割合は、概して、第１ガスと流体的に接続された中央開口部の割合より大きい。また、当該構成により、反応チャンバーの内部スペースに比較して、より大きな濃度の第１ガス（具体的には、水素若しくは希ガス等のキャリアーガス）を反応チャンバーの壁部に存在させることができる。
【００１９】
中央開口部４４及び外周開口部４２は、チャンネル部６０と、スロットル部６２、及び拡径部（flare out）６４を有する。拡径部６４は、コーン６６に向かって開口している。スロットル部６２は、流動に対する抵抗を提供すること、及び、各開口部４２、４４を介してガスを反応チャンバー１０の入口に均一に分配することを助力する。コーン６６は、ガスを開口部４２、４４から反応チャンバー１０へ分配することを助力する。コーン６６の形状は略六角形である（図５）。
【００２０】
ガス分配ユニット２の他の長手方向断面を図３に示す。当該断面にはユニットの他のいくつかの特徴が示されている。第１ガス入口チューブ５０は、入口側ブロック２１を通って延び、第１ガスプレナム３２及び第１ガスソース（不図示）と流体的に接続されている。第２ガス入口チューブ５２は、入口側ブロック２１を通って延び、第２ガスプレナム３４及び第２ガスソース（不図示）と流体的に接続されている。
【００２１】
冷却チャンネル５５は、分配装置２５内に配置されている。第１若しくは第２ガスが熱的に分解され物質が生成される温度未満に分配装置２５を冷却するため、流体（具体的には、空気若しくは冷却用液体）を冷却チャンネル５５を介して循環させる。冷却チャンネル５５により、物質が分配装置開口部４２、４４に析出することが防止される。
【００２２】
図４に分配装置２５の下面図を示し、図５に分配装置２５の上面図を示す。図４から明らかなように、外周開口部４２は、分配装置の底部において中央開口部４４から離間されている。外周開口部４２は、分配装置２５の底部から上部まで中央開口部４４に向かって傾斜している。図５から明らかなように、外周開口部４２は、分配装置２５の上部において、中央開口部４４に近接する。
【００２３】
II．多結晶シリコンの製造プロセス
多結晶シリコンは、例えば、集積回路及び太陽電池（すなわちソーラーセル）を含む多くの市販の製品を製造するために使用される必要不可欠な原料である。多結晶シリコンは、典型的には、化学気相成長法により作製される。当該方法において、流動層反応炉において熱分解可能なシリコン化合物からシリコン粒子上にシリコンが析出する。シード粒子は、多結晶シリコン製品（すなわち、”粒状”の多結晶シリコン）として反応炉から排出されるまで、サイズが増大する。適当な分解可能シリコン化合物には、具体的には、シラン及びハロシラン（具体的には、トリクロロシラン）が含まれる。
【００２４】
シリコン析出を開始させるため、例えば、約５０μｍ〜８００μｍの粒子サイズを有する多結晶シリコン粒子を反応チャンバーに投入する。シード粒子の粒子サイズは、約５０μｍ〜約８００μｍであってもよく、より典型的には、約２５０μｍ〜約６００μｍである。２つのタイプのシリコンシード粒子が一般的に用いられる。上記反応炉から収集された製品粒子を約２５０μｍ〜約３５０μｍの典型的な粒子サイズとなるまで切削し粉砕することにより得られたシリコンシード粒子を用いてもよい。これとは別に若しくはこれに加えて、約５００μｍ〜約６００μｍの粒子サイズを有する粒状多結晶製品とともに収集されこれから分離された微小の多結晶粒子をシード粒子として用いてもよい。
【００２５】
反応チャンバーにおいて様々な反応が起こりうる。シランの流動層反応炉システムにおいて起こることが知られている反応機構を概して図７に示す。これらの機構は、反応炉システムにおいて採用されうる一連の反応の全部を構成するものではないため、全く本発明の実施の形態を限定するものではない。
【００２６】
図７を参照すると、シラン系（silane system）において、シランは、成長中のシラン粒子（１）上に不均一に析出する。またシランは分解されシリコン蒸気（３）が生成される。当該シリコン蒸気は均一に核形成され、不所望のシリコンダスト（同義的にシリコン”微粒子”若しくは”粉末”）が形成される（４）。また、当該シリコン蒸気は、成長中のシリコン粒子（６）上に析出しうる（６）。シリコン微粒子は、シラン（２）から若しくはいずれかのシリコン蒸気（５）からシリコンを析出させることによりサイズが増大しうる。微粒子は結合され、より大きな微粒子（７）が形成されうる。シリコン微粒子は、シリコン粒子（８）が成長するとともに凝集しうる。微粒子及び粒子の照射により凝集が引き起こされ、微粒子が一旦粒子と接触すると、分子間力によりそれらが凝集すると考えられている。
【００２７】
典型的には、シリコンダスト粒子のサイズは、約５０μｍ未満であり、いくつかの実施の形態では、約５μｍ未満である。粒状の多結晶製品は、典型的には、約６００μｍ〜約２０００μｍ、より典型的には、約８００μｍ〜約１２００μｍ、さらに典型的には、約９００μｍ〜約１０００μｍの粒子サイズを有する。
【００２８】
シリコンがシランから成長中のシリコン粒子に析出するとともに、付加的な水素がシラン分子から放出される。シリコンダストは、反応炉から放出される水素ガス及び未反応のシラン（集合的に”使用済みガス”）とともに反応炉から排出される。シリコンダストは、例えばバックフィルトレーション、サイクロン分離若しくは液体スクラバーにより反応炉から排出された使用済みガスから分離される。
【００２９】
回収されたシリコンダストを工業的に使用してもよいが、しかしながら、これは粒状の多結晶シリコンより価値が低い。例えば、単結晶シリコンをチョクラルスキー法（すなわち、溶融多結晶シリコンと接触したシード結晶を引き上げることにより、当該溶融多結晶シリコンから単結晶シリコンを引き上げることを含む方法）により作製するため、シリコンダストを使用してもよい。シリコンダストをチョクラルスキー法において使用する際、シリコンダストは上手く融解させるのが困難であり、当該融液から結晶を引き上げるのはさらに困難である。その結果、シリコンダストは、粒状の多結晶シリコンと比較して、大きくディスカウントして販売されている。別の態様では、シリコンダストは、反応炉内に再循環され及び／又は１以上の付加的な流動層反応炉に供給されてもよい。当該流動層反応炉において、シリコンダストは、少なくとも部分的にシリコン粒子により取り除かれる。
【００３０】
本発明のプロセスは、熱分解可能な気相のシリコン化合物を含むフィードガスを反応炉に導入する工程を含む。フィードガスを反応チャンバー内で加熱し、反応チャンバー内において、シリコン化合物中のシリコンの少なくとも一部を化学気相成長法によりシリコン粒子上に析出させ、それにより、シリコン粒子を成長させ、一般的に粒状ポリシリコンと称されるより大きな粒子とする。熱分解可能なシリコン化合物の他の部分は分解され、とりわけ、シリコン蒸気が生成される。
【００３１】
本発明のプロセスは、一の流動層反応炉において反応を実行してもよいし、若しくは、直列又は並列に配置された１以上の流動層反応炉を組み込んでもよい。本発明の範囲を逸脱しない限り、供給物及び生産物が連続的に導入され当該反応炉から排出される連続的な方法で流動層反応炉を操作してもよいし、バッチプロセスで操作してもよい。
【００３２】
図１に本発明のプロセスのある実施の形態を例示した概略図を示す。
【００３３】
III．フィードガス
以下、多結晶シリコンを作製するプロセスを、図１に示した流動層反応炉システム１を参照しながら述べる。熱分解可能な化合物７及びキャリアーガス５を各ソースから反応炉システム１へ供給する。キャリアーガス５には、水素、若しくは例えばアルゴン若しくはヘリウム及びこれらの混合物等の希ガスが含まれていてもよい。
【００３４】
熱分解可能なシリコン化合物には、概して、熱分解されシリコンを生成しうる化合物が含まれる。多結晶粒子を成長させポリシリコン粒状物を形成するためにシリコンソースが提供される限り、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、分解プロセスから別の生成物を生成させてもよい。熱分解可能なシリコン化合物ガスには、化学気相成長法により不均一に析出したシリコンを含有する全てのガス、例えば、シリコンテトラハイドライド（一般的にシランと称する）、トリクロロシラン、及び、シランの水素原子の一以上が、塩素、臭素、フッ素及びヨウ素等のハロゲンにより置換された他のハロゲン化ケイ素が含まれる。
【００３５】
熱分解可能な化合物を希釈することなく反応炉に導入してもよいし、若しくはガスを水素、アルゴン、ヘリウム若しくはこれらの混合物等のキャリアーガスで当該ガスを希釈してもよい。分解の間、水素の副生成物が生成される。当該副生成物の水素は、必要であれば、反応炉システムのオペレーションにおいて、さらなる熱分解可能なフィードガスのためのキャリアーガスとして使用するためにリサイクルされる。
【００３６】
IＶ．反応チャンバー
反応チャンバーは、典型的には、流動層であり、当該流動層において、シリコン粒子が反応炉内において流動ガスの上方流により浮遊する。流動層反応炉により、成長中のシリコン粒子と、気相との間の高熱量輸送及び熱輸送率が提供され、これにより、シリコンの上記粒子への析出率が上昇する。しかしながら、流動層反応炉は、概して、円柱状の垂直容器であり、しかしながら、流動層オペレーションを受け入れ可能な限り如何なる構成を用いてもよい。システムデザインファクターは、システム毎に異なるが、反応炉の特定の寸法は、本発明の範囲を逸脱しない限り、所望のシステムアウトプット、熱輸送効率、及びシステム流体ダイナミクス等のシステムデザインファクターに主に依存するであろう。
【００３７】
典型的には、外部からの熱を用いて、熱分解可能なガスの温度を、ガスが分解されるポイントまで増加させる。加熱方法には、例えば、容量加熱、インダクションコイル、及び電気抵抗素子が含まれる。
【００３８】
以下、図２〜６を参照する。キャリアーガスは第１ガス入口チューブ５０を介して供給され、第１ガスプレナム３２まで移送される。キャリアーガスは、一連の外周分配開口部４２を介して第１ガスプレナム３２からライナーチャンバー４５及び反応チャンバー１０まで移送される。
【００３９】
熱分解可能な化合物は第２ガス入口チューブ５２を介して供給され、第２ガスプレナム３４まで移送される。本発明の開示の範囲を逸脱しない限り、熱分解可能な化合物以外のガス（具体的には、所定量のキャリアーガス）を熱分解可能な化合物とともに第２ガス入口チューブ５２を介して供給してもよい。熱分解可能な化合物は、一連の中央分配開口部４４を介して第２ガスプレナム３２からライナーチャンバー４５及び反応チャンバー１０まで移送される。キャリアーガスは反応チャンバー壁近くにおいて反応チャンバー１０に導入され（テイパーライナー２８近くにおいてライナーチャンバー４５に導入され）るので、キャリアーガスと、反応炉壁に接触する熱分解可能なシリコン化合物とを組み合わせたものは、反応チャンバーの内部におけるガスと比較して、より大きな濃度のキャリアーガスを含む。当該構成により、反応炉壁上へのシリコンの望ましくない析出が防止される。
【００４０】
本発明の他の実施の形態によれば、外周分配開口部４２を介して供給されたキャリアーガスは、所定量の熱分解可能な化合物を含んでいてもよいし、及び／又は中央分配開口部４４を介して供給された熱分解可能なガス７は、所定量のキャリアーガスを含んでいてもよい。当該実施の形態において、外周開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガス濃度は、反応炉壁に析出するシリコンの量を減少させるため、中央開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガス濃度を上回る。
【００４１】
Ｖ．反応条件
反応システムのオペレーションの間、反応ゾーンを通過するガス速度は、シリコン粒子の最小流動速度より大きくなるように維持される。反応炉を通過するガス速度は、概して、流動層内において粒子を流動化させるために必要な最小流動速度の約１〜約８倍の速度に維持される。いくつかの実施の形態において、ガス速度は、流動層内において粒子を流動化させるために必要な最小流動速度の約２〜約５倍の速度に維持され、少なくとも１つの実施の形態においては、約４倍である。最小流動速度は、含まれるガス及び粒子の特性に依存して変動する。最小流動速度は従来の手法により決定してもよい（ペリーの化学技術者のためのハンドブック第７版の第１７〜４頁参照。ここに引用して援用する）。
【００４２】
最小流動条件は、好ましくは、ガス分配装置近くに存在するような条件の下計算される。通常反応炉の他の部分より低い温度を含むこれらの条件を用いて、全流動層において最小流動を確実なものとすることが可能である。本発明は、特定の最小流動速度に限定される訳ではないけれども、本発明において有用な最小流動速度は、約０．７ｃｍ／秒〜約３５０ｃｍ／秒、さらに好ましくは約６ｃｍ／秒〜約１５０ｃｍ／秒である。
【００４３】
より高い生産性を達成するためには、通常、最小流動フローレートより高いガス速度が望ましい。ガス速度が最小流動速度を超えて増加すると、過剰のガスによりバブルが形成され、流動層においてボイドが増加する。当該流動層は、シリコン粒子に接触するガスを含むバブル及び”エマルジョン”から構成されると考えられる。当該エマルジョンの質は、最小流動条件における流動層の質と極めて似ている。当該エマルジョンにおける局所的なボイドは、最小流動層ボイドに近い。そのため、バブルは、最小流動を達成するために必要とされる量を超えて導入されたガスにより発生する。最小流動速度によって除された実効ガス速度の比率が増加するにしたがって、バブルの形成が増加する。非常に高い比率では、大きなガスのスラグが流動層に形成される。流動層のボイドが全ガス流量とともに増加するに伴い、固体とガスとの接触が効率的でなくなる。所定の体積の流動層については、反応ガスと接触する固体の表面積は、流動層ボイドが増加するに従って減少する。そのため、所定の流動層長さでは、熱分解可能なガスの変換が低減される。また、反応チャンバーを通過するガス滞留時間が減少するに従って、変換が減少しうる。さらに、より多くの微粒子を生成するより大きな速度で、別の不所望の反応が起こりうる。
【００４４】
反応炉における温度は、熱分解可能な化合物の熱分解温度範囲であってシリコンの融点の範囲内に維持される。反応炉の温度は、約２００℃〜約１４００℃、典型的には、約６００℃〜約７００℃、さらに典型的には、約６２５℃〜約６５５℃に維持される。反応ゾーンをこのような温度に維持するために用いられる熱は、従来の加熱システム、例えば、反応炉の容器の壁面の外部に配置された電気抵抗ヒーター等により与えてもよい。反応炉内における圧力は、流動層の上部において、典型的には約１．７３気圧である。
【実施例】
【００４５】
実施例１：従来の析出と本発明の実施の形態に係る析出とのコンピューターシミュレーションによる比較
反応チャンバー（ライナーチャンバーのテイパーライナーの内面に析出させることも含む）の壁面への反応炉長さに亘るシリコンの析出率を図８に示す（２つのコンピューターシミュレーション）。ポジション”０”は、テイパーライナー２８の下面を示す（図６）。三角により示されたデータポイント（すなわち、より高いピークを有するデータライン）は、従来の方法によりオペレートされた流動層反応炉長さに亘る析出率を示し、丸により示されたデータポイント（すなわち、より低いピークを有するデータライン）は、図１〜６に図示され上述された流動層反応炉長さに亘る析出率を示している。両方のシミュレーションは、キャリアーガスとして水素を、熱分解可能な化合物としてシランを用いた。従来の析出方法によりオペレートされる反応炉において、水素及びシランを、当該分配装置に亘って均一に導入した。本発明の実施の形態にしたがってオペレートされた反応炉において、水素のみを外周開口部を介して供給し、水素とシランの混合物を中央開口部を介して供給した。外周開口部を介して供給されたガス量は、反応チャンバーに供給された全ガス量の約１６．３質量％であるとシミュレートされた。反応炉に導入されたシラン及び水素の全レートは、両方のシミュレーションにおいて同じであった。
【００４６】
簡略化のため、壁面析出は、当該システムにおいて微粒子ダイナミクスを明らかにすることなく決定した。シミュレーションの始めにおいて設定された最初の流動層温度は、長い間オペレートされている反応炉の時間平均全温度に近く、実時間の数秒間における流動層の計算されたダイナミクスは、少なくとも定性的に、長い時間オペレートされている流動層のダイナミクスを表しているであろう。
【００４７】
図８から明らかなように、壁部への最大析出レートは、周辺ガスとして水素を用いる反応炉においてより低い。このため、反応炉の停止を引き起こしうる、壁面析出物の反応炉底部への落下の可能性を低減する。
【００４８】
本発明若しくはその実施の形態の構成要素を加えるとき、冠詞”ａ”、”ａｎ”、”ｔｈｅ”及び”ｓａｉｄ”は、１以上の構成要素が存在することを意味することを意図している。”含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”、”包含する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”、”有する（ｈａｖｉｎｇ）”なる用語は、包括的であることを意図しており、列挙された構成要素以外の別の要素が存在してもよいことを意味している。
【００４９】
上記に鑑み、本発明のいくつかの目的は達成され、他の有利な結果が得られることは理解されよう。
【００５０】
本発明の範囲を逸脱しない限り、上記方法において様々な変更を加えることができるため、上記記載に含まれ添付の図面に示された全ての事項は、例示であると解釈すべきであり、これに限定するものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応炉システムに関し、例えば、シラン等の熱分解可能なシリコン化合物から多結晶シリコンを作製することに関する。
【背景技術】
【０００２】
多相反応（multiphase reactions）を実行するため流動層反応炉が用いられている。典型的な流動層反応炉システムにおいて、触媒若しくは成長中の製品粒子等の粒状材料の流動層に流体を通過させる。流体のフローにより、当該反応炉において粒状材料の流動層は流動化される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
多くの流動層反応炉システムにおいて、特に液相からの材料が化学的に分解され固体材料が形成されるシステムにおいて、固体が反応炉壁に析出しうる。壁部への析出は、反応炉の形状を変更してしまい、これにより、通常、反応炉の性能を低下させる可能性がある。さらに、壁部への析出物の一部は、反応炉壁から剥離し、反応炉の底部まで落下しうる。通常、剥離した析出物を取り除くため、反応炉システムの操業が停止される。反応炉の不慮の中断を防止するため、定期的に、析出物を反応炉壁からエッチング除去し反応炉を洗浄しなければならず、そのため、反応炉の生産性は低下する。これらの問題は、多結晶シリコンの生産において用いられる流動層反応炉システムにおいて特に深刻である。
【０００４】
そのため、反応炉壁に形成された析出量を制限若しくは減少させる、多結晶シリコンを製造するための反応炉システム及び方法に対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一の側面は、反応チャンバー及び該反応チャンバーにガスを均一に分配するための分配装置を有する反応炉内において多結晶シリコン製品を製造するプロセスに関する。当該反応チャンバーは、少なくとも一つの反応チャンバー壁を有する。上記分配装置は、ガスソースと反応チャンバーとの流体的接続を提供する複数の分配開口部を有し、複数の分配開口部は、少なくとも一つの外周開口部と、少なくとも一つの中央開口部と、を有する。本発明のプロセスによれば、キャリアーガス及び熱分解可能なシリコン化合物は、分配装置の分配開口部を介して反応チャンバーまで供給される。当該反応チャンバーにおいて、外周開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガスの濃度は、反応炉壁に析出されるシリコン量を低減するため、中央開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガスの濃度を上回る。シリコン粒子上にシリコンを析出させるため、反応チャンバー内において上記熱分解可能なシリコン化合物をシリコン粒子と接触させ、これによりシリコン粒子のサイズが増加する。
【０００６】
本発明の別の側面は、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーに第１ガス及び第２ガスを分配するための分配装置であって、少なくとも１つの外周開口部と少なくとも１つの中央開口部とを含む複数の分配開口部を備え、上記外周開口部は、第１ガスソースとは流体的接続を提供するが第２ガスソースとは流体的接続を提供しないように構成された分配装置に関する。
【０００７】
本発明のさらに別の側面は、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーと、上記反応チャンバーにガスを分配し、第１ガスソース及び第２ガスソースの両方と上記反応チャンバーとの間の流体的接続を提供する複数の分配開口部を備える分配装置と、を備え、上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と少なくとも１つの中央開口部とを備え、上記外周開口部は、第１ガスソースと流体的に接続されているが、第２ガスソースとは流体的に接続されていない流動層反応炉システムに関する。
【０００８】
本発明の上記側面について言及された特徴に関して様々な限定が存在する。また同様に、別の特徴を本発明の上記側面に加えてもよい。例えば、本発明の例示された実施の形態のいずれかに関連して以下に議論される様々な特徴を本発明の上述の側面のいずれかに、単独で若しくはいずれかの組み合わせで組み込んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、流動層反応炉システムに注入及び排出されるフローの概略である。
【図２】図２は、ガス分配ユニットの一実施の形態に係る長手方向断面である。
【図３】図３は、ガス分配ユニットの第２の長手方向断面である。
【図４】図４は、ガス分配ユニットの分配装置の下面図である。
【図５】図５は、ガス分配ユニットの分配装置の上面図である。
【図６】図６は、ガス分配ユニットの長手方向斜視図である。
【図７】図７は、粒状多結晶シリコン反応炉システムにおいて起こる反応メカニズムの概略図である。
【図８】図８は、従来の析出方法及び図１〜６の流動層反応炉及び分配ユニットを含む本発明の方法に係る反応炉壁への析出率のコンピューターシミュレーションのグラフ図である。対応する参照文字は、図面を通して、対応する部材を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここに記載された流動層反応炉システム及びガス分配ユニットは、第１ガス及び第２ガスを流動層反応炉に分配し、化合物を複数のガスのうち１つから流動化された粒子の表面上に析出させるに適している。当該反応炉システム及び分配ユニットは、反応炉壁に熱分解可能な化合物の析出（具体的には、シランからのシリコンの析出）の速度を低減させるのに特に適している。反応システムの分配装置は、上記反応炉壁への材料（具体的にはシリコン等）の析出を防止するため、上記反応炉壁から反応炉の中央部分まで上記熱分解可能な化合物を方向付けるように構成されている。当該システムは、表題の”多結晶シリコンを製造するためのプロセス”の下、以下に言及しているように、熱分解可能なシリコン化合物から多結晶シリコンを作製するために使用される。
【００１１】
Ｉ．流動層反応炉システム
以下、図１を参照する。本発明の実施の形態により構成された流動層反応炉を、概して１により示す。反応炉システム１は、反応チャンバー１０とガス分配ユニット２とを含む。第１ガスソース５と第２ガスソース７とは分配ユニット２に導入され、それぞれのガスを反応チャンバー１０の入口に均一に分配する。分配ユニット２は、反応チャンバー１０を介した反応性ガスを均一に分配することを助力し、これにより、上記反応チャンバー１０において、流動化された粒子への材料の析出速度を最小化する。
【００１２】
ここで使用されているように、”第１ガス”は、”第２ガス”と異なる成分を有するガスであり、逆も言える。上記第１ガス及び第２ガスは、上記第１ガスにおける少なくとも１種の化合物の質量組成若しくはモル組成が、第２ガスにおける化合物の組成と異なる限り、複数の気体の混合物から構成されていてもよい。製品抜取チューブ１２は、ガス分配ユニット２を通って延びる。製品粒子をチューブ１２から抜き出し製品貯蔵庫１５に搬送してもよい。使用済みガス１６は、反応チャンバー１６から排出され、これをさらに別のプロセスユニット１８に導入してもよい。
【００１３】
図２にガス分配ユニット２をより詳細に示す。ガス分配ユニット２は、第１ガス及び第２ガスを流動層反応炉へ分配するのに適しており、特に、キャリアーガス及び熱分解可能なガスを流動層反応炉に分配するのに適している。
【００１４】
ガス分配ユニット２は、入口側ブロック２１、分配装置２５、及びテイパーライナー２８を有する。外部環状リング３７及び同心円上にある内部環状リング３９は、入口側ブロック２１と分配装置２５との間に配置されている。第１ガスプレナム３２は、外部環状リング３７と内部環状リング３９との間に規定されている。製品回収チューブ１２は、外部環状リング３７及び内部環状リング３９と同心円上にある。チューブ１２は、入口側ブロック２１の下に延びる。第２ガスプレナム３４は、内部環状リング３９とチューブ１２との間に規定されている。
【００１５】
テイパーライナー２８は、ライナーチャンバー４５を規定する。ライナーチャンバー４５は、反応チャンバー（不図示）の円柱部分に向かって開口し、分配装置２５から反応チャンバーの円柱部分まで外側に向かって拡径している。粒子及び流入したガスがライナーチャンバー４５に接触し、システム反応の大部分が当該ライナーチャンバーにおいて起こるため、当該ライナーチャンバーは、反応チャンバーの一部であると見なされる。応用のために、ここで使用される”反応チャンバー”には、ライナーチャンバー４５が含まれる。
【００１６】
一連の外周分配開口部４２及び中央分配開口部４４を分配装置２５内に配置する。ここで使用されているように、”外周分配開口部”若しくは”外周開口部”は、実質的に、中央開口部に関して、反応チャンバーの外側の壁部近くにある分配開口部を意味し、”中央分配開口部”若しくは”中央開口部”は、実質的に、外周開口部に関して内側にある分配開口部を意味する。外周開口部４２は、第１ガスプレナム３２及び反応チャンバー１０と流体的に接続されている。中央開口部４４は、第２ガスプレナム３４及び反応チャンバー１０と流体的に接続されている。一般的に、外周開口部は、第２ガスと流体的に接続されておらず、中央開口部は、第１ガスと流体的に接続されていない。
【００１７】
第１ガスが、粒子上への材料の析出に寄与しないとき（若しくは第２ガス程寄与しないとき）（具体的には、第１ガスが水素、若しくは希ガス等の不活性ガスであるとき）、外周開口部が第１ガスと流体的に接続されるように構成することにより、内部スペースと比較して、より大きな濃度の第１ガスを反応チャンバー壁部に存在させることができる。これにより、第１及び第２ガスが分配装置２５を介して均一に分配される構成と比較して、第２ガスから反応炉壁上に析出される材料を減少させることができる。
【００１８】
いくつかの実施の形態において、外周開口部の一部は、第２ガスと流体的に接続されており、中央開口部の一部は、第１ガスと流体的に接続されている。これらの実施の形態において、上記第１ガスに流体的に接続された外周開口部の割合は、概して、第１ガスと流体的に接続された中央開口部の割合より大きい。また、当該構成により、反応チャンバーの内部スペースに比較して、より大きな濃度の第１ガス（具体的には、水素若しくは希ガス等のキャリアーガス）を反応チャンバーの壁部に存在させることができる。
【００１９】
中央開口部４４及び外周開口部４２は、チャンネル部６０と、スロットル部６２、及び拡径部（flare out）６４を有する。拡径部６４は、コーン６６に向かって開口している。スロットル部６２は、流動に対する抵抗を提供すること、及び、各開口部４２、４４を介してガスを反応チャンバー１０の入口に均一に分配することを助力する。コーン６６は、ガスを開口部４２、４４から反応チャンバー１０へ分配することを助力する。コーン６６の形状は略六角形である（図５）。
【００２０】
ガス分配ユニット２の他の長手方向断面を図３に示す。当該断面にはユニットの他のいくつかの特徴が示されている。第１ガス入口チューブ５０は、入口側ブロック２１を通って延び、第１ガスプレナム３２及び第１ガスソース（不図示）と流体的に接続されている。第２ガス入口チューブ５２は、入口側ブロック２１を通って延び、第２ガスプレナム３４及び第２ガスソース（不図示）と流体的に接続されている。
【００２１】
冷却チャンネル５５は、分配装置２５内に配置されている。第１若しくは第２ガスが熱的に分解され物質が生成される温度未満に分配装置２５を冷却するため、流体（具体的には、空気若しくは冷却用液体）を冷却チャンネル５５を介して循環させる。冷却チャンネル５５により、物質が分配装置開口部４２、４４に析出することが防止される。
【００２２】
図４に分配装置２５の下面図を示し、図５に分配装置２５の上面図を示す。図４から明らかなように、外周開口部４２は、分配装置の底部において中央開口部４４から離間されている。外周開口部４２は、分配装置２５の底部から上部まで中央開口部４４に向かって傾斜している。図５から明らかなように、外周開口部４２は、分配装置２５の上部において、中央開口部４４に近接する。
【００２３】
II．多結晶シリコンの製造プロセス
多結晶シリコンは、例えば、集積回路及び太陽電池（すなわちソーラーセル）を含む多くの市販の製品を製造するために使用される必要不可欠な原料である。多結晶シリコンは、典型的には、化学気相成長法により作製される。当該方法において、流動層反応炉において熱分解可能なシリコン化合物からシリコン粒子上にシリコンが析出する。シード粒子は、多結晶シリコン製品（すなわち、”粒状”の多結晶シリコン）として反応炉から排出されるまで、サイズが増大する。適当な分解可能シリコン化合物には、具体的には、シラン及びハロシラン（具体的には、トリクロロシラン）が含まれる。
【００２４】
シリコン析出を開始させるため、例えば、約５０μｍ〜８００μｍの粒子サイズを有する多結晶シリコン粒子を反応チャンバーに投入する。シード粒子の粒子サイズは、約５０μｍ〜約８００μｍであってもよく、より典型的には、約２５０μｍ〜約６００μｍである。２つのタイプのシリコンシード粒子が一般的に用いられる。上記反応炉から収集された製品粒子を約２５０μｍ〜約３５０μｍの典型的な粒子サイズとなるまで切削し粉砕することにより得られたシリコンシード粒子を用いてもよい。これとは別に若しくはこれに加えて、約５００μｍ〜約６００μｍの粒子サイズを有する粒状多結晶製品とともに収集されこれから分離された微小の多結晶粒子をシード粒子として用いてもよい。
【００２５】
反応チャンバーにおいて様々な反応が起こりうる。シランの流動層反応炉システムにおいて起こることが知られている反応機構を概して図７に示す。これらの機構は、反応炉システムにおいて採用されうる一連の反応の全部を構成するものではないため、全く本発明の実施の形態を限定するものではない。
【００２６】
図７を参照すると、シラン系（silane system）において、シランは、成長中のシラン粒子（１）上に不均一に析出する。またシランは分解されシリコン蒸気（３）が生成される。当該シリコン蒸気は均一に核形成され、不所望のシリコンダスト（同義的にシリコン”微粒子”若しくは”粉末”）が形成される（４）。また、当該シリコン蒸気は、成長中のシリコン粒子（６）上に析出しうる（６）。シリコン微粒子は、シラン（２）から若しくはいずれかのシリコン蒸気（５）からシリコンを析出させることによりサイズが増大しうる。微粒子は結合され、より大きな微粒子（７）が形成されうる。シリコン微粒子は、シリコン粒子（８）が成長するとともに凝集しうる。微粒子及び粒子の照射により凝集が引き起こされ、微粒子が一旦粒子と接触すると、分子間力によりそれらが凝集すると考えられている。
【００２７】
典型的には、シリコンダスト粒子のサイズは、約５０μｍ未満であり、いくつかの実施の形態では、約５μｍ未満である。粒状の多結晶製品は、典型的には、約６００μｍ〜約２０００μｍ、より典型的には、約８００μｍ〜約１２００μｍ、さらに典型的には、約９００μｍ〜約１０００μｍの粒子サイズを有する。
【００２８】
シリコンがシランから成長中のシリコン粒子に析出するとともに、付加的な水素がシラン分子から放出される。シリコンダストは、反応炉から放出される水素ガス及び未反応のシラン（集合的に”使用済みガス”）とともに反応炉から排出される。シリコンダストは、例えばバックフィルトレーション、サイクロン分離若しくは液体スクラバーにより反応炉から排出された使用済みガスから分離される。
【００２９】
回収されたシリコンダストを工業的に使用してもよいが、しかしながら、これは粒状の多結晶シリコンより価値が低い。例えば、単結晶シリコンをチョクラルスキー法（すなわち、溶融多結晶シリコンと接触したシード結晶を引き上げることにより、当該溶融多結晶シリコンから単結晶シリコンを引き上げることを含む方法）により作製するため、シリコンダストを使用してもよい。シリコンダストをチョクラルスキー法において使用する際、シリコンダストは上手く融解させるのが困難であり、当該融液から結晶を引き上げるのはさらに困難である。その結果、シリコンダストは、粒状の多結晶シリコンと比較して、大きくディスカウントして販売されている。別の態様では、シリコンダストは、反応炉内に再循環され及び／又は１以上の付加的な流動層反応炉に供給されてもよい。当該流動層反応炉において、シリコンダストは、少なくとも部分的にシリコン粒子により取り除かれる。
【００３０】
本発明のプロセスは、熱分解可能な気相のシリコン化合物を含むフィードガスを反応炉に導入する工程を含む。フィードガスを反応チャンバー内で加熱し、反応チャンバー内において、シリコン化合物中のシリコンの少なくとも一部を化学気相成長法によりシリコン粒子上に析出させ、それにより、シリコン粒子を成長させ、一般的に粒状ポリシリコンと称されるより大きな粒子とする。熱分解可能なシリコン化合物の他の部分は分解され、とりわけ、シリコン蒸気が生成される。
【００３１】
本発明のプロセスは、一の流動層反応炉において反応を実行してもよいし、若しくは、直列又は並列に配置された１以上の流動層反応炉を組み込んでもよい。本発明の範囲を逸脱しない限り、供給物及び生産物が連続的に導入され当該反応炉から排出される連続的な方法で流動層反応炉を操作してもよいし、バッチプロセスで操作してもよい。
【００３２】
図１に本発明のプロセスのある実施の形態を例示した概略図を示す。
【００３３】
III．フィードガス
以下、多結晶シリコンを作製するプロセスを、図１に示した流動層反応炉システム１を参照しながら述べる。熱分解可能な化合物７及びキャリアーガス５を各ソースから反応炉システム１へ供給する。キャリアーガス５には、水素、若しくは例えばアルゴン若しくはヘリウム及びこれらの混合物等の希ガスが含まれていてもよい。
【００３４】
熱分解可能なシリコン化合物には、概して、熱分解されシリコンを生成しうる化合物が含まれる。多結晶粒子を成長させポリシリコン粒状物を形成するためにシリコンソースが提供される限り、本発明の範囲を逸脱しない範囲で、分解プロセスから別の生成物を生成させてもよい。熱分解可能なシリコン化合物ガスには、化学気相成長法により不均一に析出したシリコンを含有する全てのガス、例えば、シリコンテトラハイドライド（一般的にシランと称する）、トリクロロシラン、及び、シランの水素原子の一以上が、塩素、臭素、フッ素及びヨウ素等のハロゲンにより置換された他のハロゲン化ケイ素が含まれる。
【００３５】
熱分解可能な化合物を希釈することなく反応炉に導入してもよいし、若しくはガスを水素、アルゴン、ヘリウム若しくはこれらの混合物等のキャリアーガスで当該ガスを希釈してもよい。分解の間、水素の副生成物が生成される。当該副生成物の水素は、必要であれば、反応炉システムのオペレーションにおいて、さらなる熱分解可能なフィードガスのためのキャリアーガスとして使用するためにリサイクルされる。
【００３６】
IＶ．反応チャンバー
反応チャンバーは、典型的には、流動層であり、当該流動層において、シリコン粒子が反応炉内において流動ガスの上方流により浮遊する。流動層反応炉により、成長中のシリコン粒子と、気相との間の高熱量輸送及び熱輸送率が提供され、これにより、シリコンの上記粒子への析出率が上昇する。しかしながら、流動層反応炉は、概して、円柱状の垂直容器であり、しかしながら、流動層オペレーションを受け入れ可能な限り如何なる構成を用いてもよい。システムデザインファクターは、システム毎に異なるが、反応炉の特定の寸法は、本発明の範囲を逸脱しない限り、所望のシステムアウトプット、熱輸送効率、及びシステム流体ダイナミクス等のシステムデザインファクターに主に依存するであろう。
【００３７】
典型的には、外部からの熱を用いて、熱分解可能なガスの温度を、ガスが分解されるポイントまで増加させる。加熱方法には、例えば、容量加熱、インダクションコイル、及び電気抵抗素子が含まれる。
【００３８】
以下、図２〜６を参照する。キャリアーガスは第１ガス入口チューブ５０を介して供給され、第１ガスプレナム３２まで移送される。キャリアーガスは、一連の外周分配開口部４２を介して第１ガスプレナム３２からライナーチャンバー４５及び反応チャンバー１０まで移送される。
【００３９】
熱分解可能な化合物は第２ガス入口チューブ５２を介して供給され、第２ガスプレナム３４まで移送される。本発明の開示の範囲を逸脱しない限り、熱分解可能な化合物以外のガス（具体的には、所定量のキャリアーガス）を熱分解可能な化合物とともに第２ガス入口チューブ５２を介して供給してもよい。熱分解可能な化合物は、一連の中央分配開口部４４を介して第２ガスプレナム３２からライナーチャンバー４５及び反応チャンバー１０まで移送される。キャリアーガスは反応チャンバー壁近くにおいて反応チャンバー１０に導入され（テイパーライナー２８近くにおいてライナーチャンバー４５に導入され）るので、キャリアーガスと、反応炉壁に接触する熱分解可能なシリコン化合物とを組み合わせたものは、反応チャンバーの内部におけるガスと比較して、より大きな濃度のキャリアーガスを含む。当該構成により、反応炉壁上へのシリコンの望ましくない析出が防止される。
【００４０】
本発明の他の実施の形態によれば、外周分配開口部４２を介して供給されたキャリアーガスは、所定量の熱分解可能な化合物を含んでいてもよいし、及び／又は中央分配開口部４４を介して供給された熱分解可能なガス７は、所定量のキャリアーガスを含んでいてもよい。当該実施の形態において、外周開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガス濃度は、反応炉壁に析出するシリコンの量を減少させるため、中央開口部を介して供給されたガス中のキャリアーガス濃度を上回る。
【００４１】
Ｖ．反応条件
反応システムのオペレーションの間、反応ゾーンを通過するガス速度は、シリコン粒子の最小流動速度より大きくなるように維持される。反応炉を通過するガス速度は、概して、流動層内において粒子を流動化させるために必要な最小流動速度の約１〜約８倍の速度に維持される。いくつかの実施の形態において、ガス速度は、流動層内において粒子を流動化させるために必要な最小流動速度の約２〜約５倍の速度に維持され、少なくとも１つの実施の形態においては、約４倍である。最小流動速度は、含まれるガス及び粒子の特性に依存して変動する。最小流動速度は従来の手法により決定してもよい（ペリーの化学技術者のためのハンドブック第７版の第１７〜４頁参照。ここに引用して援用する）。
【００４２】
最小流動条件は、好ましくは、ガス分配装置近くに存在するような条件の下計算される。通常反応炉の他の部分より低い温度を含むこれらの条件を用いて、全流動層において最小流動を確実なものとすることが可能である。本発明は、特定の最小流動速度に限定される訳ではないけれども、本発明において有用な最小流動速度は、約０．７ｃｍ／秒〜約３５０ｃｍ／秒、さらに好ましくは約６ｃｍ／秒〜約１５０ｃｍ／秒である。
【００４３】
より高い生産性を達成するためには、通常、最小流動フローレートより高いガス速度が望ましい。ガス速度が最小流動速度を超えて増加すると、過剰のガスによりバブルが形成され、流動層においてボイドが増加する。当該流動層は、シリコン粒子に接触するガスを含むバブル及び”エマルジョン”から構成されると考えられる。当該エマルジョンの質は、最小流動条件における流動層の質と極めて似ている。当該エマルジョンにおける局所的なボイドは、最小流動層ボイドに近い。そのため、バブルは、最小流動を達成するために必要とされる量を超えて導入されたガスにより発生する。最小流動速度によって除された実効ガス速度の比率が増加するにしたがって、バブルの形成が増加する。非常に高い比率では、大きなガスのスラグが流動層に形成される。流動層のボイドが全ガス流量とともに増加するに伴い、固体とガスとの接触が効率的でなくなる。所定の体積の流動層については、反応ガスと接触する固体の表面積は、流動層ボイドが増加するに従って減少する。そのため、所定の流動層長さでは、熱分解可能なガスの変換が低減される。また、反応チャンバーを通過するガス滞留時間が減少するに従って、変換が減少しうる。さらに、より多くの微粒子を生成するより大きな速度で、別の不所望の反応が起こりうる。
【００４４】
反応炉における温度は、熱分解可能な化合物の熱分解温度範囲であってシリコンの融点の範囲内に維持される。反応炉の温度は、約２００℃〜約１４００℃、典型的には、約６００℃〜約７００℃、さらに典型的には、約６２５℃〜約６５５℃に維持される。反応ゾーンをこのような温度に維持するために用いられる熱は、従来の加熱システム、例えば、反応炉の容器の壁面の外部に配置された電気抵抗ヒーター等により与えてもよい。反応炉内における圧力は、流動層の上部において、典型的には約１．７３気圧である。
【実施例】
【００４５】
実施例１：従来の析出と本発明の実施の形態に係る析出とのコンピューターシミュレーションによる比較
反応チャンバー（ライナーチャンバーのテイパーライナーの内面に析出させることも含む）の壁面への反応炉長さに亘るシリコンの析出率を図８に示す（２つのコンピューターシミュレーション）。ポジション”０”は、テイパーライナー２８の下面を示す（図６）。三角により示されたデータポイント（すなわち、より高いピークを有するデータライン）は、従来の方法によりオペレートされた流動層反応炉長さに亘る析出率を示し、丸により示されたデータポイント（すなわち、より低いピークを有するデータライン）は、図１〜６に図示され上述された流動層反応炉長さに亘る析出率を示している。両方のシミュレーションは、キャリアーガスとして水素を、熱分解可能な化合物としてシランを用いた。従来の析出方法によりオペレートされる反応炉において、水素及びシランを、当該分配装置に亘って均一に導入した。本発明の実施の形態にしたがってオペレートされた反応炉において、水素のみを外周開口部を介して供給し、水素とシランの混合物を中央開口部を介して供給した。外周開口部を介して供給されたガス量は、反応チャンバーに供給された全ガス量の約１６．３質量％であるとシミュレートされた。反応炉に導入されたシラン及び水素の全レートは、両方のシミュレーションにおいて同じであった。
【００４６】
簡略化のため、壁面析出は、当該システムにおいて微粒子ダイナミクスを明らかにすることなく決定した。シミュレーションの始めにおいて設定された最初の流動層温度は、長い間オペレートされている反応炉の時間平均全温度に近く、実時間の数秒間における流動層の計算されたダイナミクスは、少なくとも定性的に、長い時間オペレートされている流動層のダイナミクスを表しているであろう。
【００４７】
図８から明らかなように、壁部への最大析出レートは、周辺ガスとして水素を用いる反応炉においてより低い。このため、反応炉の停止を引き起こしうる、壁面析出物の反応炉底部への落下の可能性を低減する。
【００４８】
本発明若しくはその実施の形態の構成要素を加えるとき、冠詞”ａ”、”ａｎ”、”ｔｈｅ”及び”ｓａｉｄ”は、１以上の構成要素が存在することを意味することを意図している。”含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”、”包含する（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）”、”有する（ｈａｖｉｎｇ）”なる用語は、包括的であることを意図しており、列挙された構成要素以外の別の要素が存在してもよいことを意味している。
【００４９】
上記に鑑み、本発明のいくつかの目的は達成され、他の有利な結果が得られることは理解されよう。
【００５０】
本発明の範囲を逸脱しない限り、上記方法において様々な変更を加えることができるため、上記記載に含まれ添付の図面に示された全ての事項は、例示であると解釈すべきであり、これに限定するものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバーと該反応チャンバーにガスを均一に分配する分配装置とを有する反応炉において多結晶シリコン製品を作製するためのプロセスであって、
上記反応チャンバーは、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有し、
上記分配装置は、ガスソースと上記反応チャンバーとの間を流体的に接続する複数の分配開口部を有し、
上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有し、
当該プロセスは、
反応炉壁へ析出するシリコン量を低減するため、上記外周開口部を介して供給されるガスにおけるキャリアーガスの濃度は、上記中央開口部を介して供給されるガスにおけるキャリアーガスの濃度より大きくなるように、上記ガスソースから、上記分配装置の分配開口部を介して反応チャンバーへキャリアーガス及び熱分解可能シリコン化合物を供給する工程と、
シリコン粒子上にシリコンを析出させサイズを増大させるため、上記反応チャンバーにおいて、シリコン粒子に熱分解可能なシリコン化合物を接触させる工程と、を有するプロセス。
【請求項２】
上記外周開口部を介して供給されるガスは、実質的にキャリアーガスからなる請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
上記中央開口部を介して供給されるガスは、実質的に熱分解可能な化合物からなる請求項１又は請求項２記載のプロセス。
【請求項４】
上記熱分解可能な化合物は、シラン、トリクロロシラン、及びこれらの混合物からなる群から選択された請求項１〜３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５】
上記熱分解可能な化合物には、シランが含まれる請求項４記載のプロセス。
【請求項６】
上記キャリアーガスは、水素、アルゴン、ヘリウム及びこれらの混合物からなる群から選択された請求項１〜５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７】
上記キャリアーガスには、水素が含まれる請求項６記載のプロセス。
【請求項８】
上記シリコン微粒子が、サイズが約８００μｍまで増加し、公称直径が約２０００μｍまで増加することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
少なくとも１つの反応炉壁を有する反応チャンバーに第１ガス及び第２ガスを分配する分配装置であって、
上記分配装置は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有する複数の分配開口部を備え、
上記外周開口部は、上記第１ガスのソースとは流体的に接続され、上記第２ガスのソースとは流体的に接続されないように構成された分配装置。
【請求項１０】
上記中央開口部は、上記第２ガスのソースとは流体的に接続され、上記第１ガスのソースとは流体的に接続されないように構成された請求項９記載の分配装置。
【請求項１１】
反応チャンバーと、
上記反応チャンバーにガスを分配するための請求項９又は請求項１０記載の分配装置と、を有する流動層反応炉システムであって、
上記反応チャンバーは、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する流動層反応炉システム。
【請求項１２】
少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーと、
上記反応チャンバーへガスを供給する分配装置であって、第１ガスのソース及び第２ガスのソースの両方と、上記反応チャンバーとの間で流体的に接続された複数の分配開口部を有する分配装置と、を含む流動層反応炉システムであって、
上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有し、
上記外周開口部は、第１ガスのソースと流体的に接続され、第２ガスのソースと流体的に接続されていない流動層反応炉システム。
【請求項１３】
上記中央開口部は、第２ガスのソースと流体的に接続され、第１ガスのソースと流体的に接続されていない請求項１２記載の流動層反応炉システム。
【請求項１４】
上記第１ガスのソースは、第１ガスプレナム内にあり、上記第２ガスのソースは、第２ガスプレナム内にある請求項１２若しくは請求項１３記載の流動層反応炉システム。
【請求項１５】
さらに、入口側ブロック、外部環状リング及び上記外部環状リングと同心円上に配置された内部環状リングと、を備え、
上記第１ガスプレナムは、上記分配装置、入口側ブロック、外部環状リング及び内部環状リングの間のスペースにより画定された請求項１２〜１４のいずれかに記載の流動層反応炉システム。
【請求項１６】
さらに、上記外部環状リング及び内部環状リングと同心円上に配置され、上記分配装置及び入口側ブロックを貫通して延在する製品抜取チューブを有し、
上記第２ガスプレナムは、上記分配装置、入口側ブロック、内部環状リング、及び上記製品抜取チューブ間のスペースにより画定された請求項１５記載の流動層反応炉システム。
【請求項１７】
上記入口側ブロックは、上記第１ガスプレナムに流体的に接続された第１ガスチャンネルと、上記第２ガスプレナムに流体的に接続された第２ガスチャンネルと、を有する請求項１６記載の流動層反応炉システム。
【請求項１】
反応チャンバーと該反応チャンバーにガスを均一に分配する分配装置とを有する反応炉において多結晶シリコン製品を作製するためのプロセスであって、
上記反応チャンバーは、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有し、
上記分配装置は、ガスソースと上記反応チャンバーとの間を流体的に接続する複数の分配開口部を有し、
上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有し、
当該プロセスは、
反応炉壁へ析出するシリコン量を低減するため、上記外周開口部を介して供給されるガスにおけるキャリアーガスの濃度は、上記中央開口部を介して供給されるガスにおけるキャリアーガスの濃度より大きくなるように、上記ガスソースから、上記分配装置の分配開口部を介して反応チャンバーへキャリアーガス及び熱分解可能シリコン化合物を供給する工程と、
シリコン粒子上にシリコンを析出させサイズを増大させるため、上記反応チャンバーにおいて、シリコン粒子に熱分解可能なシリコン化合物を接触させる工程と、を有するプロセス。
【請求項２】
上記外周開口部を介して供給されるガスは、実質的にキャリアーガスからなる請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
上記中央開口部を介して供給されるガスは、実質的に熱分解可能な化合物からなる請求項１又は請求項２記載のプロセス。
【請求項４】
上記熱分解可能な化合物は、シラン、トリクロロシラン、及びこれらの混合物からなる群から選択された請求項１〜３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５】
上記熱分解可能な化合物には、シランが含まれる請求項４記載のプロセス。
【請求項６】
上記キャリアーガスは、水素、アルゴン、ヘリウム及びこれらの混合物からなる群から選択された請求項１〜５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７】
上記キャリアーガスには、水素が含まれる請求項６記載のプロセス。
【請求項８】
上記シリコン微粒子が、サイズが約８００μｍまで増加し、公称直径が約２０００μｍまで増加することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
少なくとも１つの反応炉壁を有する反応チャンバーに第１ガス及び第２ガスを分配する分配装置であって、
上記分配装置は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有する複数の分配開口部を備え、
上記外周開口部は、上記第１ガスのソースとは流体的に接続され、上記第２ガスのソースとは流体的に接続されないように構成された分配装置。
【請求項１０】
上記中央開口部は、上記第２ガスのソースとは流体的に接続され、上記第１ガスのソースとは流体的に接続されないように構成された請求項９記載の分配装置。
【請求項１１】
反応チャンバーと、
上記反応チャンバーにガスを分配するための請求項９又は請求項１０記載の分配装置と、を有する流動層反応炉システムであって、
上記反応チャンバーは、少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する流動層反応炉システム。
【請求項１２】
少なくとも１つの反応チャンバー壁を有する反応チャンバーと、
上記反応チャンバーへガスを供給する分配装置であって、第１ガスのソース及び第２ガスのソースの両方と、上記反応チャンバーとの間で流体的に接続された複数の分配開口部を有する分配装置と、を含む流動層反応炉システムであって、
上記複数の分配開口部は、少なくとも１つの外周開口部と、少なくとも１つの中央開口部と、を有し、
上記外周開口部は、第１ガスのソースと流体的に接続され、第２ガスのソースと流体的に接続されていない流動層反応炉システム。
【請求項１３】
上記中央開口部は、第２ガスのソースと流体的に接続され、第１ガスのソースと流体的に接続されていない請求項１２記載の流動層反応炉システム。
【請求項１４】
上記第１ガスのソースは、第１ガスプレナム内にあり、上記第２ガスのソースは、第２ガスプレナム内にある請求項１２若しくは請求項１３記載の流動層反応炉システム。
【請求項１５】
さらに、入口側ブロック、外部環状リング及び上記外部環状リングと同心円上に配置された内部環状リングと、を備え、
上記第１ガスプレナムは、上記分配装置、入口側ブロック、外部環状リング及び内部環状リングの間のスペースにより画定された請求項１２〜１４のいずれかに記載の流動層反応炉システム。
【請求項１６】
さらに、上記外部環状リング及び内部環状リングと同心円上に配置され、上記分配装置及び入口側ブロックを貫通して延在する製品抜取チューブを有し、
上記第２ガスプレナムは、上記分配装置、入口側ブロック、内部環状リング、及び上記製品抜取チューブ間のスペースにより画定された請求項１５記載の流動層反応炉システム。
【請求項１７】
上記入口側ブロックは、上記第１ガスプレナムに流体的に接続された第１ガスチャンネルと、上記第２ガスプレナムに流体的に接続された第２ガスチャンネルと、を有する請求項１６記載の流動層反応炉システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１１−５２６８７７（Ｐ２０１１−５２６８７７Ａ）
【公表日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１６７８７（Ｐ２０１１−５１６７８７）
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４９１１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００２８１５
【国際公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（３９２０２６３１６）エムイーエムシー・エレクトロニック・マテリアルズ・インコーポレイテッド (74)
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＭＣ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２９日（２００９．６．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０４９１１３
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００２８１５
【国際公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【出願人】（３９２０２６３１６）エムイーエムシー・エレクトロニック・マテリアルズ・インコーポレイテッド (74)
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＭＣ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【Ｆターム（参考）】
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