流動層反応器
【課題】 シリコン析出のために十分な熱と流動ガスとを均一に供給することができ，多結晶シリコンの大量生産が可能であり、組み立て、設置及びメンテナンスが容易な流動層反応器を提供する。
【解決手段】 反応管と、独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を含む。
【解決手段】 反応管と、独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度多結晶シリコンは、半導体素子または太陽電池に用いられることのできる素材として広く使われている。このような多結晶シリコンを製造するために、シリコンを含む反応ガスの熱分解及び水素還元反応でシリコンを析出させるシリコン析出方法が利用されている。
【０００３】
多結晶シリコンの大量生産のためには、実験室で用いられる流動層反応器に比べて大きさと高さとが大きい流動層反応器が必要である。したがって、多結晶シリコンが量産できる流動層反応器は、重量が非常に重く体積も大きいため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。
【０００４】
これによって、組み立て、設置及びメンテナンスが容易であり、かつ多結晶シリコンの大量生産が可能である流動層反応器に関する研究が活発に行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、シリコン析出のために十分な熱と流動ガスとを均一に供給することができる流動層反応器を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、多結晶シリコンの大量生産が可能であり、組み立て、設置及びメンテナンスが容易な流動層反応器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態による他の流動層反応器は、反応管と、独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を含む。
【０００８】
前記流動ガス供給部の個数は、複数個であることができる。前記流動ガス供給部のそれぞれによって前記反応管の内部に供給される流動ガスの量は、同一であるか異なることができる。
【０００９】
前記流動ガス供給部は、外部から流動ガスが流入される流動ガス流入部と、前記流動ガス流入部の一側と連結された流動ガスチャンネルと、前記流動ガスチャンネルと連結された複数の流動ガスノズルと、を含み、前記複数の流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることができる。
【００１０】
前記流動ガスチャンネルの全体体積は、前記流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であることができる。
【００１１】
前記流動ガスチャンネルが内部に配置される基底プレートをさらに含むことができる。
【００１２】
前記複数の流動ガスノズルは、前記基底プレートの全領域にわたって均一に配置されることができる。
【００１３】
前記基底プレート領域は、複数個に分けられ、各領域に配置された前記流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることができる。
【００１４】
前記基底プレート領域のそれぞれに対応されて前記基底プレートの内部に配置された前記流動ガスチャンネルをさらに含み、前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、前記複数の流動ガスノズルと連結されることができる。
【００１５】
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、互いに同一の体積を有することができる。
【００１６】
前記流動ガス流入部と前記流動ガスチャンネルとは、複数個で互いにそれぞれ対応されて連結され、前記流動ガスチャンネルのそれぞれに連結された流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることができる。
【００１７】
前記流動ガスチャンネルそれぞれの体積は、互いに同一であることができる。
【００１８】
前記流動ガス流入部の入口の面積は、前記流動ガスノズルの出口の面積より大きいか同一であることができる。
【００１９】
前記流動ガス流入部の個数は、複数個であることができる。
【００２０】
前記流動ガス流入部の個数は、単一個あるいは複数個であり、前記各流動ガス流入部と連通されて連結された前記流動ガスノズルの個数は、少なくとも１つ以上であることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスなどが容易であり、組み立ての過程に伴う反応管内への球形石英ビーズの充填の際に、目視でその状態を確認しながら充填を容易に行うことができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明は、流動層反応器の底面部を多層のプレートで構成して多結晶シリコンの汚染を防止することができ、組み立て、設置及びメンテナンスを容易に行うことができるという効果がある。
【００２３】
また、本発明は、石英プレートを多層で構成し、それぞれのプレート内でも各プレートを構成する断片の境界部を互いにずれるように配置し、製造される多結晶シリコンの汚染を防止し、組み立て、設置及びメンテナンスを簡単に行うことができるという効果がある。
【００２４】
また、本発明は、流動層反応器の高圧反応の途中に流動ガス供給ノズルが圧力に耐えられず離脱する事故を防止して流動層反応器の安定した運転が可能である。また、本発明は、流動層反応器の反応管の内部を加熱するために設けられるヒーターを流動層反応器の底面部に予め着設した固定部に嵌め込んで組み立てることができるため、組み立て、設置及びメンテナンスが非常に簡単であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態による流動層反応器を示す。
【図２】本発明の実施形態による多結晶シリコン製造装置のプレートの一例を示した図である。
【図３】本発明の実施形態による多結晶シリコン製造装置のプレートの他の例を示した図である。
【図４ａ】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図である。
【図４ｂ】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の組み立て構造を示す。
【図６】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。
【図７ａ】本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【図７ｂ】本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付の図面を参照し、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態による流動層反応器を示す。示されたように、本発明の実施形態による流動層反応器５００は、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００と、底面部４００とを含む。
【００２８】
ヘッド１００は、第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００の第１反応管２５０の直径より大きい直径を有する。流動層反応器５００内のガス及び微細粒子が第１反応管２５０からヘッド１００を通る際に直径増加によってガス及び微細粒子の流速が減少する。これによって、排出されるガスあるいは微細粒子の後処理負担が減ることができる。
【００２９】
ヘッド１００の内壁は、高温で変形しにくい無機材料からなることができる。例えば、ヘッド１００の内壁は、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素のうち、少なくとも１つからなることができる。
【００３０】
また、ヘッド１００の外壁に対する冷却が可能な場合、ヘッド１００の内壁に有機高分子を利用したコーティングまたはライニングのうち、少なくとも１つが行われることができる。
【００３１】
ヘッド１００の内壁が、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素のような炭素含有材料からなった場合、多結晶シリコンが炭素不純物によって汚染される恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できるヘッド１００の内壁は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などのような材料でコーティングまたはライニングされることができる。
【００３２】
例えば、ヘッド１００は、複数の部分ヘッド１００ａ、１００ｂを含み、第１部分ヘッド１００ａの内面にライニング膜１５０が位置することができる。
【００３３】
第１ボディ部２００は、ヘッド１００の下に位置してヘッド１００と連結され、多結晶シリコン析出反応が起きる空間を提供する。
【００３４】
第２ボディ部３００は、第１ボディ部２００の下に位置して第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００とともに多結晶シリコン析出反応または加熱反応のうち、少なくとも１つが起きる空間を提供する。
【００３５】
このような、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、独立的に別々になって互いに結合されて反応空間を提供するが、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが、１つのボディからなる一体型で作られることができる。
【００３６】
底面部４００は、第２ボディ部３００の下に位置して第２ボディ部３００と連結され、多結晶シリコン析出のための各種ノズル６００、６５０、ヒーター７００、電極８００などが組み立てられる。
【００３７】
このとき、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とは、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。このような材質からなる第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の保護膜は、金属、有機高分子、セラミックス、または石英などからなることができる。
【００３８】
ヘッド１００と第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との組み立ての際、反応器の内部を外部空間から遮断するためにガスキット（ｇａｓｋｅｔ）またはシーリング材（ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）が利用されることができる。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、円筒状パイプ、フランジ、チューブ及びフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）、板（ｐｌａｔｅ）、円錐、楕円または二重壁の間に冷却媒体が流れるジャケット（ｊａｃｋｅｔ）などのように、多様な形態を有することができる。
【００３９】
また、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とが金属材質からなった場合、その内部表面に保護膜がコーティングされるか、保護管または保護壁が追加で設けられることができる。保護膜、保護管または保護壁は、金属材質からなることができるが、反応器内部の汚染を防ぐために有機高分子、セラミックス、石英などのような非金属材料がコーティングまたはライニングされることができる。
【００４０】
第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、熱膨脹防止、作業者保護、その他事故防止などの目的で、水、オイル、ガス、空気などのような冷却流体によって一定温度範囲以下に維持されることができる。冷却が必要な第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との要素の内部あるいは外壁に、冷却流体の循環が可能となるように製作されることができる。
【００４１】
一方、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との外部表面に、作業者保護及び過多な熱損失防止のために断熱材が設けられることができる。
【００４２】
上述のように、多結晶シリコンの大量生産のために流動層反応器の大きさ及び高さが増加する場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。すなわち、流動層反応器が大きく高さが高く重量が重い１つのボディ部と反応管とを含む場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスの際にボディ部の取り扱いが困難になり、ボディ部とノズルや反応管とがぶつかって破損されることがある。一方に、本発明の実施形態による流動層反応器は、複数のボディ部２００、３００と反応管２５０、３５０とを含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易に行われることができる。
【００４３】
次に、本発明の実施形態による流動層反応器の組み立て過程について詳細に説明する。
【００４４】
第１反応管２５０は、第１ボディ部２００に挿入される。第２ボディ部３００の中に第２反応管３５０が挿入され、第２ボディ部３００の下端を密閉するための底面部４００に各種ノズル６００、６５０と電極８００とヒーター７００とが組み立てられる。第２反応管３５０が挿入された第２ボディ部３００に底面部４００が連結される。以後、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが互いに連結され、延長ヘッド１００が第１ボディ部２００に連結される。
【００４５】
底面部４００に組み立てられる各種ガス供給部は、流動ガス供給部６００と反応ガス供給部６５０とを含むことができる。
【００４６】
第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、チューブ形状や、チューブ、円錐及び楕円部分を含む形状を有することができる。第１反応管２５０と第２反応管３５０との端の部分は、フランジ形で加工されることができる。第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、複数の部分からなることができ、このような部分の一部が、第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の内壁面にライナー（ｌｉｎｅｒ）のような形態で設けられることもできる。
【００４７】
第１反応管２５０と第２反応管３５０との材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。
【００４８】
第１反応管２５０と第２反応管３５０とが炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる反応管の内壁面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００４９】
流動ガス供給部６００は、反応管内のシリコン粒子を流動させる流動ガスを供給する。反応管内に位置するシリコン粒子の一部または全部は、流動ガスによって流動する。このとき、流動ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素（ＨＣｌ）、四塩化シラン（ＳｉＣｌ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。流動ガス供給部６００は、反応管として用いられることができる無機材質成分からなったチューブ、ライナーまたは成型品であることができる。
【００５０】
このような流動ガス供給部６００は、流動ガス流入部６４０と、流動ガスノズル６２０と、流動ガスチャンネル６３０とを含むことができる。流動ガスチャンネルの一側は、流動ガス流入口の他側と連結され、流動ガスチャンネルの他側は、流動ガスノズルの一側と連結される。
【００５１】
これによって、流動ガス供給部の流動ガス流入部６４０が外部から流動ガスを流入して流動ガスチャンネル６３０に供給し、流動ガスノズル６２０は、流動ガスチャンネル６３０に満たされた流動ガスを反応管１００の内部に供給する。このとき、流動ガスチャンネル６３０の全体体積は、流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であり、流動ガスチャンネルは、外部から流入された流動ガスが満たされる空間として、後述する基底プレート４１０の内部に形成されることができる。
【００５２】
また、図面には示されていないが、流動ガス供給部６００は、流動ガスチャンネル６３０の代りに流動ガスチューブを含むこともできる。すなわち、流動ガス流入部６４０は、外部から流入された流動ガスを流動ガスチューブに供給し、流動ガスノズル６２０は、流動ガスチューブに満たされた流動ガスを反応管２５０の内部に供給することもできる。このとき、流動ガスチューブは、外部から流入された流動ガスが満たされる空間として、基底プレートの内部に形成されることもできる。
【００５３】
一方、流動ガス流入部６４０と流動ガスノズル６２０との間に流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブが位置することは、流動ガスチャンネルと連結された流動ガスノズル６２０が供給する流動ガスの流量を互いに均一にするためである。
【００５４】
すなわち、多結晶シリコン製品の大量生産のためには、流動層反応器が大きくなければならない。これによって、反応管１００の内部の面積も大きくなる。反応管１００の内部の面積が増加すると、流動ガスの供給も増加しなければならないため、流動ガスノズル６２０の個数も増加する。
【００５５】
このように、流動層反応器の大きさが大きくなる場合、流動ガスノズル６２０は反応管１００の内部に流動ガスを均一に供給しなければならない。流動ガスの供給が均一ではない場合、シリコン流動層の流動が不安定であり、流動ガスによる熱の伝達が均一ではないため、シリコン析出反応が不安定に行われる。
【００５６】
したがって、流動ガスの均一な供給は、シリコン析出のための熱を反応管１００の内部に均一に伝達するだけでなく、シリコン流動層の流動を安定的になるようにする。
【００５７】
流動ガスノズル６２０が反応管１００の内部に流動ガスを均一に供給するために、流動ガスノズルと空間的に連結された流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブに流動ガスが満たされる。
【００５８】
流動ガス流入部６４０を通して流入される流動ガスの流量が流動ガスノズル６２０を通して放出される流動ガスの流量より大きいか同一である場合、流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブに流動ガスが均一に分布するようになるため、流動ガスノズル６２０を通して放出される流量が均一になる。このとき、流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることが望ましい。
【００５９】
本発明の実施形態においては、流動ガス流入部６４０を通して流入される流動ガスの流量が流動ガスノズル６２０を通して放出される流動ガスの流量より大きいか同一であるようにするために、流動ガス流入部及び流動ガスチャンネルと連結された領域での流動ガス流入部の出口の面積Ｄ１は、流動ガスノズルの出口の面積Ｄ２の和より大きいことができる。一方、本発明の実施形態においては、流動ガス流入部は、流動ガスチャンネルによって流動ガスノズルと連結されるが、流動ガス流入部は、流動ガスチャンネルを通さず、流動ガスノズルと直接連結され、外部から流動ガスの供給を受けて反応管の内部に流動ガスを提供することができる。
【００６０】
反応ガス供給部６５０は、シリコン粒子層にシリコン元素を含む反応ガスを供給する。反応ガスは、多結晶シリコンの析出に用いられる原料ガスとしてシリコン元素成分を含む。反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（ｄｉｓｉｌａｎｅ：Ｓｉ２Ｈ６）、高次シラン（ＳｉｎＨ２ｎ＋２、ｎは３以上の自然数)、二塩化シラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ２Ｃｌ２）、三塩化シラン（ＴＣＳ：ＳｉＨＣｌ３）、四塩化シラン（ＳＴＣ：ＳｉＣｌ４）、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｂｒｏｍｉｄｅ（ＳｉＢｒ４）、ｄｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨ２Ｉ２）、ｔｒｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨＩ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｉｏｄｉｄｅ（ＳｉＩ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。このとき、反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、または塩化水素のうち少なくとも１つをさらに含むことができる。反応ガスの供給によって、０．１〜２ｍｍ程度の多結晶シリコン種粒子の表面に多結晶シリコンが析出され、多結晶シリコン種粒子の大きさが増加する。多結晶シリコン種粒子の大きさが一定程度増加すると、流動層反応器の外部に放出される。
【００６１】
ヒーター７００は、流動層反応器５００の内部に、多結晶シリコン粒子の表面でシリコン析出反応が起きるための熱を供給する。実施形態において、シリコン析出反応のために反応管２５０の内部において熱が供給されるが、反応管２５０の外部から反応管２５０の内部に供給された熱によってシリコン析出反応が起きることもできる。ヒーター７００は、抵抗体を含み、電気の供給を受けることによって熱を供給することができる。ヒーター７００は、グラパイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、炭化ケイ素のようなセラミックス、または金属材質のうち少なくとも１つを含むことができる。
【００６２】
各ガス供給部６００、６５０、すなわち、各種ノズル、電極８００及びヒーター７００などは、底面部４００を構成するプレート４１０乃至４４０とともに組み立てられる。示されたように、本発明の実施形態による底面部４００は、基底プレート４１０と、第１乃至第３プレート４２０、４３０、４４０とを含む。
【００６３】
基底プレート４１０は第２ボディ部３００と連結され、流動ガス供給部及び反応ガス供給部と組み立てられる。基底プレート４１０は、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。第１プレート４２０は、基底プレート４１０上に位置し、基底プレート４１０を絶縁させる。これによって、第１プレート４２０は、クオーツ（ｑｕａｒｔｚ）のように高温で耐えることができ、絶縁性を持ちながらも析出される多結晶シリコンを汚染させない物質からなることができる。第１プレート４２０は、クオーツの以外に窒化ケイ素、アルミナ、イットリアなどの高温での耐熱性を有するセラミックス物質からなることができ、場合によってはこのようなセラミックス物質で第１プレート４２０の表面がコーティングまたはライニングされることができる。
【００６４】
第２プレート４３０は、第１プレート４２０上に位置し、ヒーター７００と接触してヒーター７００に電気を供給する。これによって、第２プレート４３０は、グラパイト、シリコンカーバイドがコーティングされたグラパイト、シリコンカーバイド、窒化ケイ素がコーティングされたグラパイトのような導電性物質からなることができる。基底プレート４１０と第２プレート４３０との間には絶縁特性を有している第１プレート４２０が位置するため、基底プレート４１０と第２プレート４３０とは互いに絶縁される。第２プレート４３０がヒーター７００と接触するため、第２プレート４３０で熱が発生することがあるが、第２プレート４３０で電流の流れる断面積がヒーター７００に比べて非常に大きいため、第２プレート４３０で発生する熱はヒーター７００で発生する熱に比べて非常に小さい。また、第２プレート４３０で発生する接触抵抗による熱発生を減らすために軟性に優れたグラパイトシート（ｓｈｅｅｔ）が第２プレート４３０とヒーター７００との間に挿入されることもできる。
【００６５】
基底プレート４１０と第２プレート４３０とが導電性を有する場合、基底プレート４１０と第２プレート４３０との接触によって基底プレート４１０に流れる漏洩電流が発生することがある。これによって、示されたように、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端は、所定距離ほど離隔されている。
【００６６】
すなわち、第１プレート４２０には第２プレート４３０が装着されることができる溝が形成されることができる。例えば、第１プレート４２０には第２プレート４３０の長さＬと同一であるか大きい溝が形成され、第２プレート４３０が第１プレート４２０の溝の中に装着されることができる。これによって、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端の間に第１プレート４２０の一部分が位置することができるため、基底プレート４１０と第２プレート４３０との間の絶縁が維持されることができる。
【００６７】
示されたように、第１プレート４２０によって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることができ、第２プレート４３０の周りを囲む絶縁リング９００が設けられることによって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることもできる。このとき、絶縁リング９００は、クオーツ、セラミックスからなることができる。
【００６８】
第３プレート４４０は、第２プレート４３０上に位置し、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で析出された多結晶シリコンが第２プレート４３０によって汚染されることを防止する。これによって、第３プレート４４０は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。第３プレート４４０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、第３プレート４４０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００６９】
また、底面部４００の第２プレート４３０と第３プレート４４０とは１つのボディではなく複数個の断片を含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になる。すなわち、多結晶シリコンの大量生産のための流動層反応器の大きさが増加するため、第２プレート４３０と第３プレート４４０とが１つのボディからなった場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難になる恐れがある。
【００７０】
例えば、図２に示されたように、第３プレート４４０は、同心円方向と直径方向に切られた断片で構成されることができる。また、図３に示されたように、第３プレート４４０は、大きさの異なるリング形態の断片で構成されることができる。
【００７１】
本発明の実施形態による流動層反応器のプレートとヒーターとの組み立て構造は、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とを貫通する固定手段によって、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とが固定されることができる。
【００７２】
底面部４００に含まれた複数のプレート４１０乃至４４０は、複数のプレート４１０乃至４４０を貫通する固定手段によって固定される。このような固定手段は、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で形成される多結晶シリコンの汚染を防止するために、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。固定手段が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、固定手段の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされるか、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素からなったキャップが固定手段に被せられることができる。固定手段は、複数のプレート４１０乃至４４０とネジ締結方式で組み立てられる。
【００７３】
一方、ヒーター７００が組み立てられる底面部４００には、ヒーター７００に挿入される固定部が着設されている。ピンやクリップのような固定部は、底面部４００のプレートのうちヒーター７００と連結される第２プレート４３０に形成された穿孔部に組み立てられる。ヒーター７００には固定部が挿入される溝が形成され、製造者または使用者がヒーター７００を固定部に圧入してヒーター７００を底面部４００に固定することができる。したがって、ヒーター７００の組み立てにはネジボルトなどの締結が不要であるため、ヒーター７００の組み立てが簡単に行われることができる。本実施形態において、ヒーター７００は、Ｕ字形状を有するため、１つのヒーター７００ごとに２つの固定部が必要であるが、ヒーター７００の形状によって固定部の個数は変形されることができる。固定部は、グラパイトや金属材質のように電気伝導性と軟性とに優れた材質からなることができる。
【００７４】
第２プレート４３０は、複数の単位プレートを含み、ヒーター７００の下部は、互いに隣接した単位プレートと接触することによって第２プレート４３０の単位プレートを通して電気の供給を受ける。このとき、ヒーター７００が底面部４００に連結される部分である、ヒーター７００の下部に形成された突出部は、第３プレート４４０にかかることによってヒーター７００の固定がより安定的に行われることができる。隣接した単位プレートは、互いに絶縁されている。例えば、ヒーター７００の下部と接触する第２プレート４３０の単位プレートの間には、絶縁体が位置することができる。絶縁体は、ヒーター７００の下部と接触する単位プレートの間を絶縁させて、漏洩電流の発生を防止する。単位プレートについては、以後により詳細に説明する。本発明の実施形態において、ヒーター７００は、単位体積当たり広い表面積を有することによって、加熱效率を高めるためにヒーター７００の表面にしわが形成されることができる。表面積を広げて加熱效率を高めるために、しわの以外にヒーター７００の表面に多様な形状の突起あるいはパターンが形成されることもできる。これによって、ヒーター７００の表面に、しわ、突起またはパターンのうち少なくとも１つが形成されることができる。
【００７５】
固定部がヒーター７００に挿入された後、ヒーター７００を保護し、かつヒーター７００による多結晶シリコンの汚染を防止するために、ヒーターキャップがヒーター７００の外部を取り囲んでヒーター７００が露出しないようにする。
【００７６】
このようなヒーターキャップの役割を果たすために、ヒーターキャップは、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。ヒーターキャップが、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、ヒーターキャップの表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００７７】
ヒーターキャップの下部には、係止突起が形成され、ヒーターキャップの係止突起は、第３プレート４４０の複数の単位プレートの間にかかる。
【００７８】
本発明の実施形態による流動層反応器は、２つの電極８００と連結されたヒーターグループを含み、ヒーターグループの消費する電力量は、同一であることができる。電極８００は、黒鉛、炭化ケイ素、金属材質、またはこれらの複合物からなることができる。電極８００の形態は、ケーブル、棒、ロッド、成形物、コンセント、結合器、バー、編組線やこれらの組合であることができる。このとき、１つの電極８００には、２つのヒーターグループが連結される。これによって、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のヒーターグループの場合、流動層反応器は ｎ個の電極８００を含むことができる。
【００７９】
例えば、ヒーターグループの電気抵抗は、互いに同一であることができる。すなわち、各ヒーターグループが含むヒーター７００の個数は一定であり、ヒーターグループが含むヒーター７００の抵抗は、互いに同一であることができる。各ヒーターグループが含むヒーター７００の個数が互いに同一である場合、流動層反応器５００の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になることができる。ヒーターグループを構成するヒーター７００の抵抗が互いに異なっていても、複数のヒーターグループのそれぞれの抵抗が互いに同一になるようにヒーター７００が配列されれば、複数のヒーターグループの消費する電力量が互いに同一になり、流動層反応器５００の内部に均一の熱が供給されることができる。
【００８０】
上述のように、多結晶シリコン製品の大量生産のために流動層反応器が大きくなるほど流動層反応器５００の内部領域も大きくなる。これによって、複数のヒーターグループは、流動層反応器５００の内部領域に均一に熱を供給しなければならない。本発明の実施形態による流動層反応器のヒーターグループは、流動層反応器の内部領域全体を均一に加熱することができるため、良質の多結晶シリコン製品を大量生産することができる。
【００８１】
複数のヒーターグループのそれぞれは、互いに異なる相を有した電源の供給を受けることができる。例えば、本発明の実施形態による流動層反応器が３つのヒーターグループを含む場合、各ヒーターグループは、３相電源の供給を受けることができる。このとき、各相の位相差は、１２０゜であることができる。
【００８２】
また、各ヒーターグループが互いに同一の電力量を消費するように、ヒーターグループに供給される電源が独立的に制御されることができる。例えば、各ヒーターグループの電気抵抗が異なるか同一の電力供給が困難である場合、ヒーターグループが互いに同一の電力量を消費するように、互いに異なる大きさの単相電源が各ヒーターグループに供給されることができる。
【００８３】
多相電源が供給される場合、隣接したヒーターグループは電極８００を共有することができるが、単相電源が供給される場合、１つのヒーターグループは他のヒーターグループと共有しない２つの電極８００と連結されることができる。
【００８４】
上述のように、ヒーター７００は、絶縁体によって互いに絶縁された単位プレートと接触する。例えば、ヒーター７００の一端は、１つの単位プレートに連結され、ヒーター７００の他端は、他の１つの単位プレートに連結される。これによって、ヒーターグループのヒーター７００は、直列連結されることができる。
【００８５】
第２プレート４３０の単位プレートは、ヒーター７００と同一の物質からなることができる。例えば、ヒーター７００と単位プレートとの材質については上述したため、これについての説明は省略する。
【００８６】
図４ａ及び図４ｂは、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図を示す。
【００８７】
図４ａ及び図４ｂに示されたように、１つ以上の流動ガスチャンネル１３５が基底プレート４１０の内部に形成されることができる。
【００８８】
また、図４ａに示されたように、複数の流動ガスチャンネル１３５が支持台１６０の内部に形成される場合、全体の流動ガスノズル１３３のうちの一部が１つの流動ガスチャンネル１３３と空間的に連結されることができる。
【００８９】
図４ａに示されたように、１つの流動ガスチャンネル６３０に連結された複数の流動ガスノズルが基底プレートの全領域にわたって均一に配置される。これによって、流動ガスは、反応管の内部の全領域に均一に供給され、反応器内において多結晶シリコン析出反応による収率が向上する。
【００９０】
図４ｂに示されたように、複数の流動ガスチャンネル６２０が、物理的に分離されて基底プレートの内部に配置されることができる。このとき、全体の流動ガスノズル６３０のうちの一部が１つの流動ガスチャンネル６２０と空間的に連結されることができる。
【００９１】
すなわち、複数の流動ガスチャンネル６２０が基底プレート４１０の内部に配置され、流動ガスノズル６３０は基底プレート４１０の領域内に均一に分布する場合、反応管２５０の内部に均一に流動ガスを供給することがよりスムーズに行われることができる。
【００９２】
一方、１つの流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガスノズル６３０によって流動ガスが供給される場合、流動ガスチャンネル６２０の体積が大きいため、流動ガスノズル６３０の位置によって流動ガスの圧力が異なることがある。
【００９３】
一方に、流動ガスチャンネル６２０を複数個で構成するとき、１つのチャンネル当たり体積は減少するため、複数の流動ガスチャンネルと連結された流動ガスノズル６３０が供給する流動ガスの流量が均一になることができる。
【００９４】
流動ガスの均一な供給のために、複数の流動ガスチャンネルそれぞれの体積は互いに同一であることができる。本発明の実施形態においては、複数の流動ガスチャンネル６２０それぞれの体積が互いに同一であることができるが、これに限定されず、複数の流動ガスチャンネル６２０それぞれの体積が互いに異なる流動層反応器であってもよい。
【００９５】
図４ｂにおいて、流動ガスチャンネル６２０は、同心円の基底プレート領域を基準として２つの領域に分けられるように２つの流動ガスチャンネル６２０だけを示したが、その以上の領域に分けられるように流動ガスチャンネル６２０が配置されることができる。例えば、各四分面の領域当たり１つの流動ガスチャンネルが配置されることができる。
【００９６】
このとき、各流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガスノズル６３０の個数は、互いに同一であることができる。これによって、反応管２５０の内部に均一に流動ガスが供給されることができる。
【００９７】
本発明の実施形態においては、複数の流動ガスチャンネル６２０のそれぞれに連結された流動ガスノズル６３０の個数は、互いに同一であるが、これに限定されず、各流動ガスチャンネルに連結された流動ガスノズル６３０の個数が、互いに異なってもよい。
【００９８】
また、流動ガスチャンネル６２０は、流動ガス流入部６４０と一対一対応で連結されることができ、単一個の流動ガスチャンネル６２０に複数の流動ガスの流入部６４０が連結されることができる。これによって、流動ガス流入部と流動ガスノズルとは、流動ガスチャンネルによって連通されて互いに連結される。
【００９９】
上述のように、流動ガスチャンネル６２０を複数個で構成する場合、流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガス流入部を通して流入される流動ガスの流量は、互いに独立的に制御されることができる。
【０１００】
すなわち、本発明の実施形態による流動層反応器の動作中に、反応管２５０の特定領域から供給される流動ガスの流量が他の領域に供給される流動ガスの流量と異なる場合、特定領域に該当される流動ガスチャンネル６３０と連結された流動ガス流入部を通して供給される流動ガスの流量を増加または減少させて、全体的に反応管２５０の内部により均一に流動ガスが供給されることができる。
【０１０１】
流動ガスチャンネルと連結される流動ガス流入部の数は、流動ガス流量制御方法の容易性によって調節されることができる。例えば、１つの流動ガスチャンネルに１つの流動ガス流入部と連結されることができ、１つの流動ガスチャンネルに複数の流動ガス流入部と連結されることができる。
【０１０２】
図５は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の組み立て構造を示す。
【０１０３】
図５に示されたように、流動ガス供給部６００には、流動ガス供給部６００の固定のための係止突起６１０が形成される。流動層反応器の底面部４００には、流動ガス供給部６００を装着させることができるホール４０５が形成される。流動ガス供給部６００の係止突起６１０の上下に第１パッキング６２０と第２パッキング６３０とが位置するように、第１パッキング６２０と第２パッキング６３０とが流動ガス供給部６００に嵌められる。第１パッキング６２０及び第２パッキング６３０は、流動ガス供給部６００の組み立てを堅固にして堅固なシーリングを提供することができる。
【０１０４】
底面部４００に形成されたホール４０５の表面の一部または全体には、ネジ山が形成され、流動ガス供給部６００がパッキング６２０、６３０とともにホール４０５に装着された後、外面にネジ山を有するブッシング６４０がホール４０５の表面のネジ山によってネジ結合される。ネジ結合されるブッシング６４０によって流動層反応器の運転途中に高圧流動ガスによる流動ガス供給部６００の離脱や移動が防止されることができる。
【０１０５】
図６は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。
【０１０６】
図６の（ａ）及び（ｂ）は、一定の厚さのフランジ部６１０を有した流動ガス供給ノズル６００を示す。図６の（ｃ）は、底面部４００と接触する流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが増加するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の（ｄ）は、流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが減少するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の（ｅ）は、一定の厚さを有した複数のフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。
【０１０７】
第２反応管３５０と底面部４００とによって形成された空間のうち、各種ノズルとヒーター７００とが占める空間を除いた残りの空間にビーズが充填される。ビーズ間の空間は、流動ガスが通るチャンネル役割をするため、ビーズは、流動ガスを流動層反応器の内部に均一に分散させる。ビーズの形態は、球、楕円形、ペレット、ナゲット、チューブ、ロッド、リングまたは前記形態の複合形態であることができる。ビーズの材質は、高純度シリコンや反応管２５０、３５０の材質と同一であることがある。ビーズの大きさは、多結晶シリコンが流動層反応器の外部に排出される生産物排出口の直径より大きいことができ、このとき、ビーズの平均直径は、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることができる。これによって、ビーズが生産物排出口を通して外部に排出されないこともできる。
【０１０８】
本発明の実施形態による流動層反応器は、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とを含み、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易である。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てされた状態でビーズが充填される場合に第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との全体高さが大きいため、ビーズの充填が困難であり、落ちるビーズによって流動層反応器の内部に位置するヒーター７００やノズルまたは第１反応管２５０及び第２反応管３５０が破損されることがある。これによって、本発明の実施形態においては、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てられる前に、第２反応管３５０と底面部４００とによって形成された空間にビーズが充填されることによって、ビーズの充填が安定的に行われることができる。
【０１０９】
ビーズの充填以後、第２ボディ部３００と第１ボディ部２００とが組み立てられる。第２ボディ部３００と第１ボディ部２００との組み立てによって、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とに挿入された第１反応管２５０と第２反応管３００とが互いに連結される。
【０１１０】
図７ａ及び図７ｂは、本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【０１１１】
図７ａに示されたように、第１反応管２５０及び第２反応管３５０は、それぞれ、前記第１反応管及び第２反応管の端で前記第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との方向に突出された突出部２５０ａ、３５０ａを含み、第１反応管２５０の突出部２５０ａと第２反応管３５０の突出部３５０ａとは、互いに向き合うように位置する。これによって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の接触面積が広くなるため、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険が減る。
【０１１２】
図７ｂに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との耐久的脆弱性を考慮して、支持リング（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｉｎｇ）２７０を第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に嵌める。支持リング２７０の材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。支持リング２７０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる支持リング２７０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。支持リング２７０は、シーリング材２７５で仕上げをする。
【０１１３】
図７ａに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の部分や、図７ｂに示されたように、支持リング２７０と第１反応管２５０との間と、支持リング２７０と第２反応管３５０と の間とに、シート（ｓｈｅｅｔ）、ニット（ｋｎｉｔ）、あるいはフェルト（ｆｅｌｔ）形状のシーリング材２７５が位置することができる。
【０１１４】
シーリング材２７５は、高温で耐えることができ、かつ汚染を防止することができるように、シリコンを含んでいる纎維状の材質からなることができる。
【０１１５】
本発明の実施形態は、組み立て、設置及びメンテナンスの便宜性のために、第１反応管２５０と第２反応管３５０とを含む。したがって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に間隙があり得る。
【０１１６】
本発明の実施形態におけるシーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の間隙を塞ぎ、シリコン粒子が外部に漏出されることを防止することができる。また、シーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険を減らすことができる。
【０１１７】
第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、及び第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間には、水素、窒素やあるいはアルゴン、ヘリウムのように多結晶シリコンと反応しない不活性ガスで満たされることができる。
【０１１８】
流動層反応器の内部に加えられる熱が外部に放出されることを遮断するために、第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間、または以外の必要な空間に、無機材質の断熱材が設けられることができる。断熱材の形態は、シリンダー、ブロック、布地（Ｆａｂｒｉｃ）、毛布、フェルト（Ｆｅｌｔ）、発泡体、充填層などであることができる。
【０１１９】
本発明の権利は、上述した実施形態に限定されず、請求範囲に記載したものにより定義され、本発明の分野における通常の知識を有した者が請求範囲に記載した権利範囲内で多様な変形と改作ができるということは自明である。
【符号の説明】
【０１２０】
１００ 延長ヘッド
２００ 第１ボディ部
２５０ 第１反応管
３００ 第２ボディ部
２７０ 支持リング
３５０ 第２反応管
４００ 底面部
４１０ 基底プレート
４２０ 第１プレート
４３０ 第２プレート
４３０ａ、４３０ｂ、４３１ａ、４３３ａ、４３１ｂ、４３３ｂ 単位プレート
４４０ 第３プレート
４４０ａ、４４０ｂ、p１、p２、p３、p１１、p１２、p２１、p２２、p３１、p３２ 単位プレート
４５０ 固定手段
５００ 流動層反応器
６００ 流動ガス供給部
６１０ 係止突起
６２０ 流動ガスチャンネル
６３０ 流動ガスノズル
６５０ 反応ガス供給部
４０５ ホール
６２０ 第１パッキング
６３０ 第２パッキング
６４０ ブッシング
７００ ヒーター
７１０ ヒーターキャップ
７３０ 絶縁体
７２０ 固定部
８００ 電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動層反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度多結晶シリコンは、半導体素子または太陽電池に用いられることのできる素材として広く使われている。このような多結晶シリコンを製造するために、シリコンを含む反応ガスの熱分解及び水素還元反応でシリコンを析出させるシリコン析出方法が利用されている。
【０００３】
多結晶シリコンの大量生産のためには、実験室で用いられる流動層反応器に比べて大きさと高さとが大きい流動層反応器が必要である。したがって、多結晶シリコンが量産できる流動層反応器は、重量が非常に重く体積も大きいため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。
【０００４】
これによって、組み立て、設置及びメンテナンスが容易であり、かつ多結晶シリコンの大量生産が可能である流動層反応器に関する研究が活発に行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、シリコン析出のために十分な熱と流動ガスとを均一に供給することができる流動層反応器を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、多結晶シリコンの大量生産が可能であり、組み立て、設置及びメンテナンスが容易な流動層反応器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態による他の流動層反応器は、反応管と、独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を含む。
【０００８】
前記流動ガス供給部の個数は、複数個であることができる。前記流動ガス供給部のそれぞれによって前記反応管の内部に供給される流動ガスの量は、同一であるか異なることができる。
【０００９】
前記流動ガス供給部は、外部から流動ガスが流入される流動ガス流入部と、前記流動ガス流入部の一側と連結された流動ガスチャンネルと、前記流動ガスチャンネルと連結された複数の流動ガスノズルと、を含み、前記複数の流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることができる。
【００１０】
前記流動ガスチャンネルの全体体積は、前記流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であることができる。
【００１１】
前記流動ガスチャンネルが内部に配置される基底プレートをさらに含むことができる。
【００１２】
前記複数の流動ガスノズルは、前記基底プレートの全領域にわたって均一に配置されることができる。
【００１３】
前記基底プレート領域は、複数個に分けられ、各領域に配置された前記流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることができる。
【００１４】
前記基底プレート領域のそれぞれに対応されて前記基底プレートの内部に配置された前記流動ガスチャンネルをさらに含み、前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、前記複数の流動ガスノズルと連結されることができる。
【００１５】
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、互いに同一の体積を有することができる。
【００１６】
前記流動ガス流入部と前記流動ガスチャンネルとは、複数個で互いにそれぞれ対応されて連結され、前記流動ガスチャンネルのそれぞれに連結された流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることができる。
【００１７】
前記流動ガスチャンネルそれぞれの体積は、互いに同一であることができる。
【００１８】
前記流動ガス流入部の入口の面積は、前記流動ガスノズルの出口の面積より大きいか同一であることができる。
【００１９】
前記流動ガス流入部の個数は、複数個であることができる。
【００２０】
前記流動ガス流入部の個数は、単一個あるいは複数個であり、前記各流動ガス流入部と連通されて連結された前記流動ガスノズルの個数は、少なくとも１つ以上であることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスなどが容易であり、組み立ての過程に伴う反応管内への球形石英ビーズの充填の際に、目視でその状態を確認しながら充填を容易に行うことができるという効果がある。
【００２２】
また、本発明は、流動層反応器の底面部を多層のプレートで構成して多結晶シリコンの汚染を防止することができ、組み立て、設置及びメンテナンスを容易に行うことができるという効果がある。
【００２３】
また、本発明は、石英プレートを多層で構成し、それぞれのプレート内でも各プレートを構成する断片の境界部を互いにずれるように配置し、製造される多結晶シリコンの汚染を防止し、組み立て、設置及びメンテナンスを簡単に行うことができるという効果がある。
【００２４】
また、本発明は、流動層反応器の高圧反応の途中に流動ガス供給ノズルが圧力に耐えられず離脱する事故を防止して流動層反応器の安定した運転が可能である。また、本発明は、流動層反応器の反応管の内部を加熱するために設けられるヒーターを流動層反応器の底面部に予め着設した固定部に嵌め込んで組み立てることができるため、組み立て、設置及びメンテナンスが非常に簡単であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態による流動層反応器を示す。
【図２】本発明の実施形態による多結晶シリコン製造装置のプレートの一例を示した図である。
【図３】本発明の実施形態による多結晶シリコン製造装置のプレートの他の例を示した図である。
【図４ａ】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図である。
【図４ｂ】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図である。
【図５】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の組み立て構造を示す。
【図６】本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。
【図７ａ】本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【図７ｂ】本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付の図面を参照し、本発明による望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態による流動層反応器を示す。示されたように、本発明の実施形態による流動層反応器５００は、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００と、底面部４００とを含む。
【００２８】
ヘッド１００は、第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００の第１反応管２５０の直径より大きい直径を有する。流動層反応器５００内のガス及び微細粒子が第１反応管２５０からヘッド１００を通る際に直径増加によってガス及び微細粒子の流速が減少する。これによって、排出されるガスあるいは微細粒子の後処理負担が減ることができる。
【００２９】
ヘッド１００の内壁は、高温で変形しにくい無機材料からなることができる。例えば、ヘッド１００の内壁は、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素のうち、少なくとも１つからなることができる。
【００３０】
また、ヘッド１００の外壁に対する冷却が可能な場合、ヘッド１００の内壁に有機高分子を利用したコーティングまたはライニングのうち、少なくとも１つが行われることができる。
【００３１】
ヘッド１００の内壁が、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素のような炭素含有材料からなった場合、多結晶シリコンが炭素不純物によって汚染される恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できるヘッド１００の内壁は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などのような材料でコーティングまたはライニングされることができる。
【００３２】
例えば、ヘッド１００は、複数の部分ヘッド１００ａ、１００ｂを含み、第１部分ヘッド１００ａの内面にライニング膜１５０が位置することができる。
【００３３】
第１ボディ部２００は、ヘッド１００の下に位置してヘッド１００と連結され、多結晶シリコン析出反応が起きる空間を提供する。
【００３４】
第２ボディ部３００は、第１ボディ部２００の下に位置して第１ボディ部２００と連結され、第１ボディ部２００とともに多結晶シリコン析出反応または加熱反応のうち、少なくとも１つが起きる空間を提供する。
【００３５】
このような、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、独立的に別々になって互いに結合されて反応空間を提供するが、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが、１つのボディからなる一体型で作られることができる。
【００３６】
底面部４００は、第２ボディ部３００の下に位置して第２ボディ部３００と連結され、多結晶シリコン析出のための各種ノズル６００、６５０、ヒーター７００、電極８００などが組み立てられる。
【００３７】
このとき、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とは、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。このような材質からなる第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の保護膜は、金属、有機高分子、セラミックス、または石英などからなることができる。
【００３８】
ヘッド１００と第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との組み立ての際、反応器の内部を外部空間から遮断するためにガスキット（ｇａｓｋｅｔ）またはシーリング材（ｓｅａｌｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）が利用されることができる。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、円筒状パイプ、フランジ、チューブ及びフィッティング（ｆｉｔｔｉｎｇ）、板（ｐｌａｔｅ）、円錐、楕円または二重壁の間に冷却媒体が流れるジャケット（ｊａｃｋｅｔ）などのように、多様な形態を有することができる。
【００３９】
また、ヘッド１００と、第１ボディ部２００と、第２ボディ部３００とが金属材質からなった場合、その内部表面に保護膜がコーティングされるか、保護管または保護壁が追加で設けられることができる。保護膜、保護管または保護壁は、金属材質からなることができるが、反応器内部の汚染を防ぐために有機高分子、セラミックス、石英などのような非金属材料がコーティングまたはライニングされることができる。
【００４０】
第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とは、熱膨脹防止、作業者保護、その他事故防止などの目的で、水、オイル、ガス、空気などのような冷却流体によって一定温度範囲以下に維持されることができる。冷却が必要な第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との要素の内部あるいは外壁に、冷却流体の循環が可能となるように製作されることができる。
【００４１】
一方、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との外部表面に、作業者保護及び過多な熱損失防止のために断熱材が設けられることができる。
【００４２】
上述のように、多結晶シリコンの大量生産のために流動層反応器の大きさ及び高さが増加する場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難である。すなわち、流動層反応器が大きく高さが高く重量が重い１つのボディ部と反応管とを含む場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスの際にボディ部の取り扱いが困難になり、ボディ部とノズルや反応管とがぶつかって破損されることがある。一方に、本発明の実施形態による流動層反応器は、複数のボディ部２００、３００と反応管２５０、３５０とを含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易に行われることができる。
【００４３】
次に、本発明の実施形態による流動層反応器の組み立て過程について詳細に説明する。
【００４４】
第１反応管２５０は、第１ボディ部２００に挿入される。第２ボディ部３００の中に第２反応管３５０が挿入され、第２ボディ部３００の下端を密閉するための底面部４００に各種ノズル６００、６５０と電極８００とヒーター７００とが組み立てられる。第２反応管３５０が挿入された第２ボディ部３００に底面部４００が連結される。以後、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが互いに連結され、延長ヘッド１００が第１ボディ部２００に連結される。
【００４５】
底面部４００に組み立てられる各種ガス供給部は、流動ガス供給部６００と反応ガス供給部６５０とを含むことができる。
【００４６】
第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、チューブ形状や、チューブ、円錐及び楕円部分を含む形状を有することができる。第１反応管２５０と第２反応管３５０との端の部分は、フランジ形で加工されることができる。第１反応管２５０と第２反応管３５０とは、複数の部分からなることができ、このような部分の一部が、第１ボディ部２００及び第２ボディ部３００の内壁面にライナー（ｌｉｎｅｒ）のような形態で設けられることもできる。
【００４７】
第１反応管２５０と第２反応管３５０との材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。
【００４８】
第１反応管２５０と第２反応管３５０とが炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる反応管の内壁面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００４９】
流動ガス供給部６００は、反応管内のシリコン粒子を流動させる流動ガスを供給する。反応管内に位置するシリコン粒子の一部または全部は、流動ガスによって流動する。このとき、流動ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、塩化水素（ＨＣｌ）、四塩化シラン（ＳｉＣｌ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。流動ガス供給部６００は、反応管として用いられることができる無機材質成分からなったチューブ、ライナーまたは成型品であることができる。
【００５０】
このような流動ガス供給部６００は、流動ガス流入部６４０と、流動ガスノズル６２０と、流動ガスチャンネル６３０とを含むことができる。流動ガスチャンネルの一側は、流動ガス流入口の他側と連結され、流動ガスチャンネルの他側は、流動ガスノズルの一側と連結される。
【００５１】
これによって、流動ガス供給部の流動ガス流入部６４０が外部から流動ガスを流入して流動ガスチャンネル６３０に供給し、流動ガスノズル６２０は、流動ガスチャンネル６３０に満たされた流動ガスを反応管１００の内部に供給する。このとき、流動ガスチャンネル６３０の全体体積は、流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であり、流動ガスチャンネルは、外部から流入された流動ガスが満たされる空間として、後述する基底プレート４１０の内部に形成されることができる。
【００５２】
また、図面には示されていないが、流動ガス供給部６００は、流動ガスチャンネル６３０の代りに流動ガスチューブを含むこともできる。すなわち、流動ガス流入部６４０は、外部から流入された流動ガスを流動ガスチューブに供給し、流動ガスノズル６２０は、流動ガスチューブに満たされた流動ガスを反応管２５０の内部に供給することもできる。このとき、流動ガスチューブは、外部から流入された流動ガスが満たされる空間として、基底プレートの内部に形成されることもできる。
【００５３】
一方、流動ガス流入部６４０と流動ガスノズル６２０との間に流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブが位置することは、流動ガスチャンネルと連結された流動ガスノズル６２０が供給する流動ガスの流量を互いに均一にするためである。
【００５４】
すなわち、多結晶シリコン製品の大量生産のためには、流動層反応器が大きくなければならない。これによって、反応管１００の内部の面積も大きくなる。反応管１００の内部の面積が増加すると、流動ガスの供給も増加しなければならないため、流動ガスノズル６２０の個数も増加する。
【００５５】
このように、流動層反応器の大きさが大きくなる場合、流動ガスノズル６２０は反応管１００の内部に流動ガスを均一に供給しなければならない。流動ガスの供給が均一ではない場合、シリコン流動層の流動が不安定であり、流動ガスによる熱の伝達が均一ではないため、シリコン析出反応が不安定に行われる。
【００５６】
したがって、流動ガスの均一な供給は、シリコン析出のための熱を反応管１００の内部に均一に伝達するだけでなく、シリコン流動層の流動を安定的になるようにする。
【００５７】
流動ガスノズル６２０が反応管１００の内部に流動ガスを均一に供給するために、流動ガスノズルと空間的に連結された流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブに流動ガスが満たされる。
【００５８】
流動ガス流入部６４０を通して流入される流動ガスの流量が流動ガスノズル６２０を通して放出される流動ガスの流量より大きいか同一である場合、流動ガスチャンネル６３０または流動ガスチューブに流動ガスが均一に分布するようになるため、流動ガスノズル６２０を通して放出される流量が均一になる。このとき、流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることが望ましい。
【００５９】
本発明の実施形態においては、流動ガス流入部６４０を通して流入される流動ガスの流量が流動ガスノズル６２０を通して放出される流動ガスの流量より大きいか同一であるようにするために、流動ガス流入部及び流動ガスチャンネルと連結された領域での流動ガス流入部の出口の面積Ｄ１は、流動ガスノズルの出口の面積Ｄ２の和より大きいことができる。一方、本発明の実施形態においては、流動ガス流入部は、流動ガスチャンネルによって流動ガスノズルと連結されるが、流動ガス流入部は、流動ガスチャンネルを通さず、流動ガスノズルと直接連結され、外部から流動ガスの供給を受けて反応管の内部に流動ガスを提供することができる。
【００６０】
反応ガス供給部６５０は、シリコン粒子層にシリコン元素を含む反応ガスを供給する。反応ガスは、多結晶シリコンの析出に用いられる原料ガスとしてシリコン元素成分を含む。反応ガスは、モノシラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（ｄｉｓｉｌａｎｅ：Ｓｉ２Ｈ６）、高次シラン（ＳｉｎＨ２ｎ＋２、ｎは３以上の自然数)、二塩化シラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ２Ｃｌ２）、三塩化シラン（ＴＣＳ：ＳｉＨＣｌ３）、四塩化シラン（ＳＴＣ：ＳｉＣｌ４）、ジブロモシラン（ＳｉＨ２Ｂｒ２）、トリブロモシラン（ＳｉＨＢｒ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｂｒｏｍｉｄｅ（ＳｉＢｒ４）、ｄｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨ２Ｉ２）、ｔｒｉｉｏｄｏｓｉｌａｎｅ（ＳｉＨＩ３）、ｓｉｌｉｃｏｎｔｅｔｒａｉｏｄｉｄｅ（ＳｉＩ４）のうち少なくとも１つを含むことができる。このとき、反応ガスは、水素、窒素、アルゴン、ヘリウム、または塩化水素のうち少なくとも１つをさらに含むことができる。反応ガスの供給によって、０．１〜２ｍｍ程度の多結晶シリコン種粒子の表面に多結晶シリコンが析出され、多結晶シリコン種粒子の大きさが増加する。多結晶シリコン種粒子の大きさが一定程度増加すると、流動層反応器の外部に放出される。
【００６１】
ヒーター７００は、流動層反応器５００の内部に、多結晶シリコン粒子の表面でシリコン析出反応が起きるための熱を供給する。実施形態において、シリコン析出反応のために反応管２５０の内部において熱が供給されるが、反応管２５０の外部から反応管２５０の内部に供給された熱によってシリコン析出反応が起きることもできる。ヒーター７００は、抵抗体を含み、電気の供給を受けることによって熱を供給することができる。ヒーター７００は、グラパイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）、炭化ケイ素のようなセラミックス、または金属材質のうち少なくとも１つを含むことができる。
【００６２】
各ガス供給部６００、６５０、すなわち、各種ノズル、電極８００及びヒーター７００などは、底面部４００を構成するプレート４１０乃至４４０とともに組み立てられる。示されたように、本発明の実施形態による底面部４００は、基底プレート４１０と、第１乃至第３プレート４２０、４３０、４４０とを含む。
【００６３】
基底プレート４１０は第２ボディ部３００と連結され、流動ガス供給部及び反応ガス供給部と組み立てられる。基底プレート４１０は、炭素鋼、ステンレス鋼、その他合金鋼などの機械強度に優れ、加工の容易な金属材料からなることができる。第１プレート４２０は、基底プレート４１０上に位置し、基底プレート４１０を絶縁させる。これによって、第１プレート４２０は、クオーツ（ｑｕａｒｔｚ）のように高温で耐えることができ、絶縁性を持ちながらも析出される多結晶シリコンを汚染させない物質からなることができる。第１プレート４２０は、クオーツの以外に窒化ケイ素、アルミナ、イットリアなどの高温での耐熱性を有するセラミックス物質からなることができ、場合によってはこのようなセラミックス物質で第１プレート４２０の表面がコーティングまたはライニングされることができる。
【００６４】
第２プレート４３０は、第１プレート４２０上に位置し、ヒーター７００と接触してヒーター７００に電気を供給する。これによって、第２プレート４３０は、グラパイト、シリコンカーバイドがコーティングされたグラパイト、シリコンカーバイド、窒化ケイ素がコーティングされたグラパイトのような導電性物質からなることができる。基底プレート４１０と第２プレート４３０との間には絶縁特性を有している第１プレート４２０が位置するため、基底プレート４１０と第２プレート４３０とは互いに絶縁される。第２プレート４３０がヒーター７００と接触するため、第２プレート４３０で熱が発生することがあるが、第２プレート４３０で電流の流れる断面積がヒーター７００に比べて非常に大きいため、第２プレート４３０で発生する熱はヒーター７００で発生する熱に比べて非常に小さい。また、第２プレート４３０で発生する接触抵抗による熱発生を減らすために軟性に優れたグラパイトシート（ｓｈｅｅｔ）が第２プレート４３０とヒーター７００との間に挿入されることもできる。
【００６５】
基底プレート４１０と第２プレート４３０とが導電性を有する場合、基底プレート４１０と第２プレート４３０との接触によって基底プレート４１０に流れる漏洩電流が発生することがある。これによって、示されたように、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端は、所定距離ほど離隔されている。
【００６６】
すなわち、第１プレート４２０には第２プレート４３０が装着されることができる溝が形成されることができる。例えば、第１プレート４２０には第２プレート４３０の長さＬと同一であるか大きい溝が形成され、第２プレート４３０が第１プレート４２０の溝の中に装着されることができる。これによって、基底プレート４１０と第２プレート４３０との端の間に第１プレート４２０の一部分が位置することができるため、基底プレート４１０と第２プレート４３０との間の絶縁が維持されることができる。
【００６７】
示されたように、第１プレート４２０によって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることができ、第２プレート４３０の周りを囲む絶縁リング９００が設けられることによって基底プレート４１０と第２プレート４３０とが絶縁されることもできる。このとき、絶縁リング９００は、クオーツ、セラミックスからなることができる。
【００６８】
第３プレート４４０は、第２プレート４３０上に位置し、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で析出された多結晶シリコンが第２プレート４３０によって汚染されることを防止する。これによって、第３プレート４４０は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。第３プレート４４０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、第３プレート４４０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００６９】
また、底面部４００の第２プレート４３０と第３プレート４４０とは１つのボディではなく複数個の断片を含むため、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になる。すなわち、多結晶シリコンの大量生産のための流動層反応器の大きさが増加するため、第２プレート４３０と第３プレート４４０とが１つのボディからなった場合、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが困難になる恐れがある。
【００７０】
例えば、図２に示されたように、第３プレート４４０は、同心円方向と直径方向に切られた断片で構成されることができる。また、図３に示されたように、第３プレート４４０は、大きさの異なるリング形態の断片で構成されることができる。
【００７１】
本発明の実施形態による流動層反応器のプレートとヒーターとの組み立て構造は、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とを貫通する固定手段によって、基底プレート４１０と、第１プレート４２０と、第２プレート４３０と、第３プレート４４０とが固定されることができる。
【００７２】
底面部４００に含まれた複数のプレート４１０乃至４４０は、複数のプレート４１０乃至４４０を貫通する固定手段によって固定される。このような固定手段は、第１反応管２５０及び第２反応管３５０の内部で形成される多結晶シリコンの汚染を防止するために、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。固定手段が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、固定手段の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされるか、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素からなったキャップが固定手段に被せられることができる。固定手段は、複数のプレート４１０乃至４４０とネジ締結方式で組み立てられる。
【００７３】
一方、ヒーター７００が組み立てられる底面部４００には、ヒーター７００に挿入される固定部が着設されている。ピンやクリップのような固定部は、底面部４００のプレートのうちヒーター７００と連結される第２プレート４３０に形成された穿孔部に組み立てられる。ヒーター７００には固定部が挿入される溝が形成され、製造者または使用者がヒーター７００を固定部に圧入してヒーター７００を底面部４００に固定することができる。したがって、ヒーター７００の組み立てにはネジボルトなどの締結が不要であるため、ヒーター７００の組み立てが簡単に行われることができる。本実施形態において、ヒーター７００は、Ｕ字形状を有するため、１つのヒーター７００ごとに２つの固定部が必要であるが、ヒーター７００の形状によって固定部の個数は変形されることができる。固定部は、グラパイトや金属材質のように電気伝導性と軟性とに優れた材質からなることができる。
【００７４】
第２プレート４３０は、複数の単位プレートを含み、ヒーター７００の下部は、互いに隣接した単位プレートと接触することによって第２プレート４３０の単位プレートを通して電気の供給を受ける。このとき、ヒーター７００が底面部４００に連結される部分である、ヒーター７００の下部に形成された突出部は、第３プレート４４０にかかることによってヒーター７００の固定がより安定的に行われることができる。隣接した単位プレートは、互いに絶縁されている。例えば、ヒーター７００の下部と接触する第２プレート４３０の単位プレートの間には、絶縁体が位置することができる。絶縁体は、ヒーター７００の下部と接触する単位プレートの間を絶縁させて、漏洩電流の発生を防止する。単位プレートについては、以後により詳細に説明する。本発明の実施形態において、ヒーター７００は、単位体積当たり広い表面積を有することによって、加熱效率を高めるためにヒーター７００の表面にしわが形成されることができる。表面積を広げて加熱效率を高めるために、しわの以外にヒーター７００の表面に多様な形状の突起あるいはパターンが形成されることもできる。これによって、ヒーター７００の表面に、しわ、突起またはパターンのうち少なくとも１つが形成されることができる。
【００７５】
固定部がヒーター７００に挿入された後、ヒーター７００を保護し、かつヒーター７００による多結晶シリコンの汚染を防止するために、ヒーターキャップがヒーター７００の外部を取り囲んでヒーター７００が露出しないようにする。
【００７６】
このようなヒーターキャップの役割を果たすために、ヒーターキャップは、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、イットリア、シリコン、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。ヒーターキャップが、炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質による多結晶シリコンの汚染防止のために、ヒーターキャップの表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。
【００７７】
ヒーターキャップの下部には、係止突起が形成され、ヒーターキャップの係止突起は、第３プレート４４０の複数の単位プレートの間にかかる。
【００７８】
本発明の実施形態による流動層反応器は、２つの電極８００と連結されたヒーターグループを含み、ヒーターグループの消費する電力量は、同一であることができる。電極８００は、黒鉛、炭化ケイ素、金属材質、またはこれらの複合物からなることができる。電極８００の形態は、ケーブル、棒、ロッド、成形物、コンセント、結合器、バー、編組線やこれらの組合であることができる。このとき、１つの電極８００には、２つのヒーターグループが連結される。これによって、ｎ個（ｎは２以上の自然数）のヒーターグループの場合、流動層反応器は ｎ個の電極８００を含むことができる。
【００７９】
例えば、ヒーターグループの電気抵抗は、互いに同一であることができる。すなわち、各ヒーターグループが含むヒーター７００の個数は一定であり、ヒーターグループが含むヒーター７００の抵抗は、互いに同一であることができる。各ヒーターグループが含むヒーター７００の個数が互いに同一である場合、流動層反応器５００の組み立て、設置及びメンテナンスが容易になることができる。ヒーターグループを構成するヒーター７００の抵抗が互いに異なっていても、複数のヒーターグループのそれぞれの抵抗が互いに同一になるようにヒーター７００が配列されれば、複数のヒーターグループの消費する電力量が互いに同一になり、流動層反応器５００の内部に均一の熱が供給されることができる。
【００８０】
上述のように、多結晶シリコン製品の大量生産のために流動層反応器が大きくなるほど流動層反応器５００の内部領域も大きくなる。これによって、複数のヒーターグループは、流動層反応器５００の内部領域に均一に熱を供給しなければならない。本発明の実施形態による流動層反応器のヒーターグループは、流動層反応器の内部領域全体を均一に加熱することができるため、良質の多結晶シリコン製品を大量生産することができる。
【００８１】
複数のヒーターグループのそれぞれは、互いに異なる相を有した電源の供給を受けることができる。例えば、本発明の実施形態による流動層反応器が３つのヒーターグループを含む場合、各ヒーターグループは、３相電源の供給を受けることができる。このとき、各相の位相差は、１２０゜であることができる。
【００８２】
また、各ヒーターグループが互いに同一の電力量を消費するように、ヒーターグループに供給される電源が独立的に制御されることができる。例えば、各ヒーターグループの電気抵抗が異なるか同一の電力供給が困難である場合、ヒーターグループが互いに同一の電力量を消費するように、互いに異なる大きさの単相電源が各ヒーターグループに供給されることができる。
【００８３】
多相電源が供給される場合、隣接したヒーターグループは電極８００を共有することができるが、単相電源が供給される場合、１つのヒーターグループは他のヒーターグループと共有しない２つの電極８００と連結されることができる。
【００８４】
上述のように、ヒーター７００は、絶縁体によって互いに絶縁された単位プレートと接触する。例えば、ヒーター７００の一端は、１つの単位プレートに連結され、ヒーター７００の他端は、他の１つの単位プレートに連結される。これによって、ヒーターグループのヒーター７００は、直列連結されることができる。
【００８５】
第２プレート４３０の単位プレートは、ヒーター７００と同一の物質からなることができる。例えば、ヒーター７００と単位プレートとの材質については上述したため、これについての説明は省略する。
【００８６】
図４ａ及び図４ｂは、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の平面図を示す。
【００８７】
図４ａ及び図４ｂに示されたように、１つ以上の流動ガスチャンネル１３５が基底プレート４１０の内部に形成されることができる。
【００８８】
また、図４ａに示されたように、複数の流動ガスチャンネル１３５が支持台１６０の内部に形成される場合、全体の流動ガスノズル１３３のうちの一部が１つの流動ガスチャンネル１３３と空間的に連結されることができる。
【００８９】
図４ａに示されたように、１つの流動ガスチャンネル６３０に連結された複数の流動ガスノズルが基底プレートの全領域にわたって均一に配置される。これによって、流動ガスは、反応管の内部の全領域に均一に供給され、反応器内において多結晶シリコン析出反応による収率が向上する。
【００９０】
図４ｂに示されたように、複数の流動ガスチャンネル６２０が、物理的に分離されて基底プレートの内部に配置されることができる。このとき、全体の流動ガスノズル６３０のうちの一部が１つの流動ガスチャンネル６２０と空間的に連結されることができる。
【００９１】
すなわち、複数の流動ガスチャンネル６２０が基底プレート４１０の内部に配置され、流動ガスノズル６３０は基底プレート４１０の領域内に均一に分布する場合、反応管２５０の内部に均一に流動ガスを供給することがよりスムーズに行われることができる。
【００９２】
一方、１つの流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガスノズル６３０によって流動ガスが供給される場合、流動ガスチャンネル６２０の体積が大きいため、流動ガスノズル６３０の位置によって流動ガスの圧力が異なることがある。
【００９３】
一方に、流動ガスチャンネル６２０を複数個で構成するとき、１つのチャンネル当たり体積は減少するため、複数の流動ガスチャンネルと連結された流動ガスノズル６３０が供給する流動ガスの流量が均一になることができる。
【００９４】
流動ガスの均一な供給のために、複数の流動ガスチャンネルそれぞれの体積は互いに同一であることができる。本発明の実施形態においては、複数の流動ガスチャンネル６２０それぞれの体積が互いに同一であることができるが、これに限定されず、複数の流動ガスチャンネル６２０それぞれの体積が互いに異なる流動層反応器であってもよい。
【００９５】
図４ｂにおいて、流動ガスチャンネル６２０は、同心円の基底プレート領域を基準として２つの領域に分けられるように２つの流動ガスチャンネル６２０だけを示したが、その以上の領域に分けられるように流動ガスチャンネル６２０が配置されることができる。例えば、各四分面の領域当たり１つの流動ガスチャンネルが配置されることができる。
【００９６】
このとき、各流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガスノズル６３０の個数は、互いに同一であることができる。これによって、反応管２５０の内部に均一に流動ガスが供給されることができる。
【００９７】
本発明の実施形態においては、複数の流動ガスチャンネル６２０のそれぞれに連結された流動ガスノズル６３０の個数は、互いに同一であるが、これに限定されず、各流動ガスチャンネルに連結された流動ガスノズル６３０の個数が、互いに異なってもよい。
【００９８】
また、流動ガスチャンネル６２０は、流動ガス流入部６４０と一対一対応で連結されることができ、単一個の流動ガスチャンネル６２０に複数の流動ガスの流入部６４０が連結されることができる。これによって、流動ガス流入部と流動ガスノズルとは、流動ガスチャンネルによって連通されて互いに連結される。
【００９９】
上述のように、流動ガスチャンネル６２０を複数個で構成する場合、流動ガスチャンネル６２０に連結された流動ガス流入部を通して流入される流動ガスの流量は、互いに独立的に制御されることができる。
【０１００】
すなわち、本発明の実施形態による流動層反応器の動作中に、反応管２５０の特定領域から供給される流動ガスの流量が他の領域に供給される流動ガスの流量と異なる場合、特定領域に該当される流動ガスチャンネル６３０と連結された流動ガス流入部を通して供給される流動ガスの流量を増加または減少させて、全体的に反応管２５０の内部により均一に流動ガスが供給されることができる。
【０１０１】
流動ガスチャンネルと連結される流動ガス流入部の数は、流動ガス流量制御方法の容易性によって調節されることができる。例えば、１つの流動ガスチャンネルに１つの流動ガス流入部と連結されることができ、１つの流動ガスチャンネルに複数の流動ガス流入部と連結されることができる。
【０１０２】
図５は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給部の組み立て構造を示す。
【０１０３】
図５に示されたように、流動ガス供給部６００には、流動ガス供給部６００の固定のための係止突起６１０が形成される。流動層反応器の底面部４００には、流動ガス供給部６００を装着させることができるホール４０５が形成される。流動ガス供給部６００の係止突起６１０の上下に第１パッキング６２０と第２パッキング６３０とが位置するように、第１パッキング６２０と第２パッキング６３０とが流動ガス供給部６００に嵌められる。第１パッキング６２０及び第２パッキング６３０は、流動ガス供給部６００の組み立てを堅固にして堅固なシーリングを提供することができる。
【０１０４】
底面部４００に形成されたホール４０５の表面の一部または全体には、ネジ山が形成され、流動ガス供給部６００がパッキング６２０、６３０とともにホール４０５に装着された後、外面にネジ山を有するブッシング６４０がホール４０５の表面のネジ山によってネジ結合される。ネジ結合されるブッシング６４０によって流動層反応器の運転途中に高圧流動ガスによる流動ガス供給部６００の離脱や移動が防止されることができる。
【０１０５】
図６は、本発明の実施形態による流動層反応器の流動ガス供給ノズルの多様な変形例を示す。
【０１０６】
図６の（ａ）及び（ｂ）は、一定の厚さのフランジ部６１０を有した流動ガス供給ノズル６００を示す。図６の（ｃ）は、底面部４００と接触する流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが増加するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の（ｄ）は、流動ガス供給ノズルの下部に行くほど厚さが減少するフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。図６の（ｅ）は、一定の厚さを有した複数のフランジ部を有した流動ガス供給ノズルを示す。
【０１０７】
第２反応管３５０と底面部４００とによって形成された空間のうち、各種ノズルとヒーター７００とが占める空間を除いた残りの空間にビーズが充填される。ビーズ間の空間は、流動ガスが通るチャンネル役割をするため、ビーズは、流動ガスを流動層反応器の内部に均一に分散させる。ビーズの形態は、球、楕円形、ペレット、ナゲット、チューブ、ロッド、リングまたは前記形態の複合形態であることができる。ビーズの材質は、高純度シリコンや反応管２５０、３５０の材質と同一であることがある。ビーズの大きさは、多結晶シリコンが流動層反応器の外部に排出される生産物排出口の直径より大きいことができ、このとき、ビーズの平均直径は、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることができる。これによって、ビーズが生産物排出口を通して外部に排出されないこともできる。
【０１０８】
本発明の実施形態による流動層反応器は、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とを含み、流動層反応器の組み立て、設置及びメンテナンスが容易である。第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てされた状態でビーズが充填される場合に第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との全体高さが大きいため、ビーズの充填が困難であり、落ちるビーズによって流動層反応器の内部に位置するヒーター７００やノズルまたは第１反応管２５０及び第２反応管３５０が破損されることがある。これによって、本発明の実施形態においては、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とが組み立てられる前に、第２反応管３５０と底面部４００とによって形成された空間にビーズが充填されることによって、ビーズの充填が安定的に行われることができる。
【０１０９】
ビーズの充填以後、第２ボディ部３００と第１ボディ部２００とが組み立てられる。第２ボディ部３００と第１ボディ部２００との組み立てによって、第１ボディ部２００と第２ボディ部３００とに挿入された第１反応管２５０と第２反応管３００とが互いに連結される。
【０１１０】
図７ａ及び図７ｂは、本発明の実施形態による第１反応管と第２反応管との連結構造を示す。
【０１１１】
図７ａに示されたように、第１反応管２５０及び第２反応管３５０は、それぞれ、前記第１反応管及び第２反応管の端で前記第１ボディ部２００と第２ボディ部３００との方向に突出された突出部２５０ａ、３５０ａを含み、第１反応管２５０の突出部２５０ａと第２反応管３５０の突出部３５０ａとは、互いに向き合うように位置する。これによって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の接触面積が広くなるため、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険が減る。
【０１１２】
図７ｂに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との耐久的脆弱性を考慮して、支持リング（ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｒｉｎｇ）２７０を第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に嵌める。支持リング２７０の材質は、高温で変形しにくい無機材料からなることができ、石英、シリカ、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ジルコニア、炭化ケイ素、黒鉛、シリコン、ガラス質炭素、またはこのような材料が混合した複合体などのような無機材料からなることができる。支持リング２７０が炭化ケイ素、黒鉛、ガラス質炭素などの炭素含有材質からなった場合、炭素含有材質は多結晶シリコンを汚染させる恐れがあるため、多結晶シリコンが接触できる支持リング２７０の表面は、シリコン、シリカ、石英、窒化ケイ素などでコーティングまたはライニングされることができる。支持リング２７０は、シーリング材２７５で仕上げをする。
【０１１３】
図７ａに示されたように、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の部分や、図７ｂに示されたように、支持リング２７０と第１反応管２５０との間と、支持リング２７０と第２反応管３５０と の間とに、シート（ｓｈｅｅｔ）、ニット（ｋｎｉｔ）、あるいはフェルト（ｆｅｌｔ）形状のシーリング材２７５が位置することができる。
【０１１４】
シーリング材２７５は、高温で耐えることができ、かつ汚染を防止することができるように、シリコンを含んでいる纎維状の材質からなることができる。
【０１１５】
本発明の実施形態は、組み立て、設置及びメンテナンスの便宜性のために、第１反応管２５０と第２反応管３５０とを含む。したがって、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間に間隙があり得る。
【０１１６】
本発明の実施形態におけるシーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との間の間隙を塞ぎ、シリコン粒子が外部に漏出されることを防止することができる。また、シーリング材２７５は、第１反応管２５０と第２反応管３５０との連結の際に破損危険を減らすことができる。
【０１１７】
第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、及び第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間には、水素、窒素やあるいはアルゴン、ヘリウムのように多結晶シリコンと反応しない不活性ガスで満たされることができる。
【０１１８】
流動層反応器の内部に加えられる熱が外部に放出されることを遮断するために、第１ボディ部２００と第１反応管２５０との間の空間、第２ボディ部３００と第２反応管３５０との間の空間、または以外の必要な空間に、無機材質の断熱材が設けられることができる。断熱材の形態は、シリンダー、ブロック、布地（Ｆａｂｒｉｃ）、毛布、フェルト（Ｆｅｌｔ）、発泡体、充填層などであることができる。
【０１１９】
本発明の権利は、上述した実施形態に限定されず、請求範囲に記載したものにより定義され、本発明の分野における通常の知識を有した者が請求範囲に記載した権利範囲内で多様な変形と改作ができるということは自明である。
【符号の説明】
【０１２０】
１００ 延長ヘッド
２００ 第１ボディ部
２５０ 第１反応管
３００ 第２ボディ部
２７０ 支持リング
３５０ 第２反応管
４００ 底面部
４１０ 基底プレート
４２０ 第１プレート
４３０ 第２プレート
４３０ａ、４３０ｂ、４３１ａ、４３３ａ、４３１ｂ、４３３ｂ 単位プレート
４４０ 第３プレート
４４０ａ、４４０ｂ、p１、p２、p３、p１１、p１２、p２１、p２２、p３１、p３２ 単位プレート
４５０ 固定手段
５００ 流動層反応器
６００ 流動ガス供給部
６１０ 係止突起
６２０ 流動ガスチャンネル
６３０ 流動ガスノズル
６５０ 反応ガス供給部
４０５ ホール
６２０ 第１パッキング
６３０ 第２パッキング
６４０ ブッシング
７００ ヒーター
７１０ ヒーターキャップ
７３０ 絶縁体
７２０ 固定部
８００ 電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応管と、
独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、
前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を含む流動層反応器。
【請求項２】
前記流動ガス供給部の個数は、複数個であることを特徴とする、請求項１に記載の流動層反応器。
【請求項３】
前記流動ガス供給部のそれぞれによって前記反応管の内部に供給される流動ガスの量は、同一であるか異なることを特徴とする、請求項１または２に記載の流動層反応器。
【請求項４】
前記流動ガス供給部は、外部から流動ガスが流入される流動ガス流入部と、前記流動ガス流入部の一側と連結された流動ガスチャンネルと、前記流動ガスチャンネルと連結された複数の流動ガスノズルと、を含み、
前記複数の流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の流動層反応器。
【請求項５】
前記流動ガスチャンネルの全体体積は、前記流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項６】
前記流動ガスチャンネルが内部に配置される基底プレートをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項７】
前記複数の流動ガスノズルは、前記基底プレートの全領域にわたって均一に配置されたことを特徴とする、請求項６に記載の流動層反応器。
【請求項８】
前記基底プレート領域は、複数個に分けられ、各領域に配置された前記流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることを特徴とする、請求項７に記載の流動層反応器。
【請求項９】
前記基底プレート領域のそれぞれに対応されて前記基底プレートの内部に配置された前記流動ガスチャンネルをさらに含み、
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、前記複数の流動ガスノズルと連結されることを特徴とする、請求項８に記載の流動層反応器。
【請求項１０】
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、互いに同一の体積を有することを特徴とする、請求項９に記載の流動層反応器。
【請求項１１】
前記流動ガス流入部と前記流動ガスチャンネルとは、複数個で互いにそれぞれ対応されて連結され、前記流動ガスチャンネルのそれぞれに連結された流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項１２】
前記流動ガスチャンネルそれぞれの体積は、互いに同一であることを特徴とする、請求項１１に記載の流動層反応器。
【請求項１３】
前記流動ガス流入部の入口の面積は、前記流動ガスノズルの出口の面積より大きいか同じであることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項１４】
前記流動ガス流入部の個数は、複数個であることを特徴とする、請求項１３に記載の流動層反応器。
【請求項１５】
前記流動ガス流入部の個数は、単一個あるいは複数個であり、前記各流動ガス流入部と連通されて連結された前記流動ガスノズルの個数は、少なくとも１つ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項１】
反応管と、
独立的に制御して流動ガスを前記反応管の内部に供給する流動ガス供給部と、
前記反応管の内部に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を含む流動層反応器。
【請求項２】
前記流動ガス供給部の個数は、複数個であることを特徴とする、請求項１に記載の流動層反応器。
【請求項３】
前記流動ガス供給部のそれぞれによって前記反応管の内部に供給される流動ガスの量は、同一であるか異なることを特徴とする、請求項１または２に記載の流動層反応器。
【請求項４】
前記流動ガス供給部は、外部から流動ガスが流入される流動ガス流入部と、前記流動ガス流入部の一側と連結された流動ガスチャンネルと、前記流動ガスチャンネルと連結された複数の流動ガスノズルと、を含み、
前記複数の流動ガスノズルの出口の面積は、互いに同一であることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の流動層反応器。
【請求項５】
前記流動ガスチャンネルの全体体積は、前記流動ガス流入部の全体体積より大きいか同一であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項６】
前記流動ガスチャンネルが内部に配置される基底プレートをさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項７】
前記複数の流動ガスノズルは、前記基底プレートの全領域にわたって均一に配置されたことを特徴とする、請求項６に記載の流動層反応器。
【請求項８】
前記基底プレート領域は、複数個に分けられ、各領域に配置された前記流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることを特徴とする、請求項７に記載の流動層反応器。
【請求項９】
前記基底プレート領域のそれぞれに対応されて前記基底プレートの内部に配置された前記流動ガスチャンネルをさらに含み、
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、前記複数の流動ガスノズルと連結されることを特徴とする、請求項８に記載の流動層反応器。
【請求項１０】
前記流動ガスチャンネルは、それぞれ、互いに同一の体積を有することを特徴とする、請求項９に記載の流動層反応器。
【請求項１１】
前記流動ガス流入部と前記流動ガスチャンネルとは、複数個で互いにそれぞれ対応されて連結され、前記流動ガスチャンネルのそれぞれに連結された流動ガスノズルの個数は、互いに同一であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項１２】
前記流動ガスチャンネルそれぞれの体積は、互いに同一であることを特徴とする、請求項１１に記載の流動層反応器。
【請求項１３】
前記流動ガス流入部の入口の面積は、前記流動ガスノズルの出口の面積より大きいか同じであることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【請求項１４】
前記流動ガス流入部の個数は、複数個であることを特徴とする、請求項１３に記載の流動層反応器。
【請求項１５】
前記流動ガス流入部の個数は、単一個あるいは複数個であり、前記各流動ガス流入部と連通されて連結された前記流動ガスノズルの個数は、少なくとも１つ以上であることを特徴とする、請求項４に記載の流動層反応器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図２】
【図３】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【公開番号】特開２０１２−２２３７５１（Ｐ２０１２−２２３７５１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１７１８８（Ｐ２０１１−２１７１８８）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５１１２３７７１５）シリコンバリュー有限会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（５１１２３７７１５）シリコンバリュー有限会社 (5)
【Ｆターム（参考）】
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