[go: up one dir, main page]

DE3842099A1 - Fluidised-bed reactor for producing polycrystalline silicon - Google Patents

Fluidised-bed reactor for producing polycrystalline silicon

Info

Publication number
DE3842099A1
DE3842099A1 DE19883842099 DE3842099A DE3842099A1 DE 3842099 A1 DE3842099 A1 DE 3842099A1 DE 19883842099 DE19883842099 DE 19883842099 DE 3842099 A DE3842099 A DE 3842099A DE 3842099 A1 DE3842099 A1 DE 3842099A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
silicon
silane
particles
fluidized bed
discharge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19883842099
Other languages
German (de)
Other versions
DE3842099C2 (en
Inventor
Robert Nicholas Flagella
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Silicon Materials LLC
Original Assignee
Union Carbide Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Union Carbide Corp filed Critical Union Carbide Corp
Publication of DE3842099A1 publication Critical patent/DE3842099A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE3842099C2 publication Critical patent/DE3842099C2/de
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/24Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles according to "fluidised-bed" technique
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/029Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of monosilane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02Silicon
    • C01B33/021Preparation
    • C01B33/027Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material
    • C01B33/03Preparation by decomposition or reduction of gaseous or vaporised silicon compounds other than silica or silica-containing material by decomposition of silicon halides or halosilanes or reduction thereof with hydrogen as the only reducing agent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Fluidised-bed reactor for producing polycrystalline silicon of high purity by introducing a silane-containing gas stream into a reaction zone comprising fluidised silicon particles, in which the silane-containing gas is heterogeneously decomposed in the reaction zone 14 to give silicon which deposits on the silicon particles 12, whereby the silicon particles 12 are enlarged and the enlarged silicon particles are deposited out as silicon product particles 16 in the vicinity of the bottom of the reaction zone 14 in a collection zone 17, and in which there is a discharge zone 10 arranged above the reaction zone 14, which discharge zone 10 has a cross-sectional area at right angles to the direction of the fluidising gas stream which is smaller than or equal to the cross-sectional area of the reaction zone 14 at right angles to the direction of the fluidising gas stream, with the fluidising gas velocity being sufficient to discharge and remove a substantial part of the silicon powder particles 20 formed by homogeneous decomposition of the silane-containing gas, but not sufficient to discharge appreciable amounts of the silicon particles 12, 16 of the fluidised bed 14, and also a process for producing polycrystalline silicon. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor, insbesondere einen Wirbelschichtreaktor und ein Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit.The invention relates to a fluidized bed reactor, in particular a fluidized bed reactor and a process for its production of high purity polycrystalline silicon.

Die Verwendung von Silicium für elektronische Zwecke erfordert die Herstellung von Siliciummaterialien ultrahoher Reinheit. Zur Verwendung in Halbleitern wird gewöhnlich Siliciummaterial mit Verunreinigungsgraden von weniger als 1 Teil pro Billion (ppb) verlangt. Der weitergehende Fortschritt in der elektronischen Industrie und die Entwicklung vieler neuer Produkte auf diesem Gebiet haben zu einem expandierendem Markt für Silicium ultrahoher Reinheit geführt. Silicium hoher Reinheit ist weiterhin für die Herstellung von Solarzellenfelder für die direkte Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität erforderlich. Für alle diese Anwendungen werden dringend Verbesserungen der bestehenden Siliciumtechnologie gebraucht, um eine erhöhte Siliciumreinheit und -qualität bei verminderten Kosten zu erreichen. Die Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit auf kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Basis durch Verwendung einer Wirbelschichtreaktionszone ist ein wichtiger Aspekt des Gesamtverfahrens zur Herstellung von Siliciumeinkristallen ultrahoher Reinheit.The use of silicon for electronic purposes is required the manufacture of ultra high purity silicon materials. Silicon material is commonly used in semiconductors with contamination levels of less than 1 part per trillion (ppb) demands. Continuing progress in electronic Industry and the development of many new products this area have become an expanding market for silicon ultra high purity. High purity silicon continues to be for the production of solar cell fields for direct Conversion of sunlight into electricity required. For All of these applications are in urgent need to improve existing ones Silicon technology used to increase silicon purity and quality at reduced costs. The production of high purity polycrystalline silicon on a continuous or semi-continuous basis Using a fluidized bed reaction zone is an important one Aspect of the overall process for the production of silicon single crystals ultra high purity.

Die Herstellung von polykristallinem Silicium aus silan- und/oder halogensilanhaltigen Gasen wird durch Pyrolyse des silanhaltigen Gases zu hochreinem Silicium erreicht. The production of polycrystalline silicon from silane and / or halosilane-containing gases is obtained by pyrolysis of the silane-containing Gases to high-purity silicon reached.  

Der Pyrolyseschritt macht Gebrauch von einer Wirbelschichtreaktionszone, in der die silanhaltigen Gase durch eine erhitzte Wirbelschicht aus Siliciumteilchen geleitet werden. Innerhalb dieser Wirbelschicht wird das Silan zu Silicium hoher Reinheit und Wasserstoff als Nebenprodukt zersetzt. Das Silicium hoher Reinheit wird auf den Siliciumteilchen der Wirbelschicht niedergeschlagen. Die Niederschlagung des Siliciums auf den Siliciumsaatteilchen verursacht ein Größenwachstum dieser Teilchen. Die größeren Produktteilchen aus Silicium werden dann auf herkömmliche Weise aus der Wirbelschicht entfernt. Solche Herstellungsverfahren sind in den US-A 39 79 490, 30 12 861 und 3 0 12 862 offenbart.The pyrolysis step makes use of a fluidized bed reaction zone, in which the silane-containing gases are heated by a Fluidized bed of silicon particles are passed. Within In this fluidized bed, the silane becomes silicon of high purity and decomposes hydrogen as a by-product. The silicon higher Purity is deposited on the silicon particles in the fluidized bed. The deposition of the silicon on the silicon seed particles causes these particles to grow in size. The larger silicon product particles are then on removed from the fluidized bed in a conventional manner. Such manufacturing processes are in US-A 39 79 490, 30 12 861 and 3 0 12 862.

Die Zersetzung von Silan zu Silicium erfolgt sowohl heterogen als auch homogen. Die homogene Zersetzung resultiert in der Erzeugung von Siliciumpulver im Submikron- und/oder Mikronbereich. Das Silicium in Pulverform weist hohe Oberflächen auf, so daß alle Teilchen in der Wirbelschicht dazu neigen, viel langsamer zu wachsen, verglichen mit der Wachstumsgeschwindigkeit wenn die Pulverteilchen nicht in der Wirbelschicht vorhanden sind. Mit Fortschritten des Verfahrens fangen die kleinen Teilchen an, sich im Reaktor anzureichern, da sie homogen erzeugt werden. In dem Maße, in dem das Siliciumpulver zunimmt, werden Siliciumteilchen von Produktgröße mit einer zunehmend langsameren Geschwindigkeit als Folge der Verminderung der Zahl der für das Wachstum zur Verfügung stehenden Siliciumteilchen erzeugt. Mit fortschreitender Pyrolyse beginnt sich die Schicht aufzutrennen, wobei sich die kleineren Teilchen am oberen Ende und die größeren Teilchen am unteren Ende befinden. Da die größeren Produktteilchen vom Boden des Reaktors abgezogen werden, werden nur große Teilchen entfernt. Mit fortgesetzter Entfernung der großen Teilchen wird der gesamte Wirbelschichtreaktor schließlich im wesentlichen zu einer Schicht kleiner Silicium­ pulverteilchen.The decomposition of silane to silicon is both heterogeneous as well as homogeneous. The homogeneous decomposition results in the generation of silicon powder in the submicron and / or micron range. The powdered silicon has high surfaces, so all the particles in the fluidized bed tend to be a lot grow slower compared to the rate of growth if the powder particles are not present in the fluidized bed are. As the process progresses, the little ones start Particles begin to accumulate in the reactor because they are homogeneously produced will. As the silicon powder increases, are becoming product size silicon particles with an increasing slower speed as a result of the decrease in the number the silicon particles available for growth generated. As pyrolysis progresses, the layer begins to separate, with the smaller particles at the top and the larger particles are at the bottom. Because the bigger ones Product particles are withdrawn from the bottom of the reactor, only large particles are removed. With continued distance the large particles become the entire fluidized bed reactor finally essentially a layer of small silicon powder particles.

Die Gegenwart von Siliciumpulverteilchen während des nachfolgenden Einkristall-Ziehverfahrens ist unerwünscht, da die Teil­ chen nicht bereitwillig schmelzen, sondern eher auf der Oberfläche treiben und sich in nachteiliger Weise um den neugebildeten Einkristallstab ablagern. Weiterhin unterliegt Silicium in der Pulverform wegen seiner erhöhten Oberfläche während des Herstellungsverfahrens in größerem Maße der Kontaniminierung. Ein weiteres Problem liegt in der Schwierigkeit, Siliciumpulver im Mikron- bis Submikrongrößenbereich zu handhaben.The presence of silicon powder particles during the subsequent Single crystal pulling is undesirable because of the part  do not melt readily, but rather on the surface drive and disadvantageously around the newly formed Deposit the single crystal rod. Silicon is also subject to in powder form because of its increased surface area during the Manufacturing process to a greater extent of contamination. Another problem is the difficulty of silicon powder to handle in the micron to submicron size range.

Die homogene Zersetzung von Silan kann durch Erniedrigen der Temperatur, bei der die Wirbelschichtreaktionszone betrieben wird, zurückgedrängt wird. Gleichwohl ist dies mit dem Nachteil verbunden, daß die Effizienz der heterogenen Zersetzung durch eine wesentliche Abnahme der Silanpyrolysetemperatur ebenfalls beeinträchtigt wird. Eine andere Maßnahme erfordert die Aufrechterhaltung von niedrigen Silan- und/oder Halogensilankonzentrationen in der Reaktionszone, um die homogene Zersetzung zu begrenzen. Jedoch ist diese Maßnahme mit dem Nachteil verbunden, daß eine niedrige Silan/Halogensilankonzentration zu einer niedrigen Produktionsgeschwindigkeit des Siliciums führen kann. Deshalb besteht ein Bedarf an einen Wirbelschichtreaktor, der silan- und/oder halogensilanhaltige Gase bei Temperaturen pyrolysieren kann, die zur effizienten heterogenen Zersetzung von Silangasen führt und in dem das durch die homogene Zersetzung in der Wirbelschicht erzeugte Siliciumpulver entfernt wird, bevor es sich anreichert und es dazu kommt, daß die Siliciumpulverteilchen in der Wirbelschicht die Vorherrschaft erlangen.The homogeneous decomposition of silane can be reduced by lowering the Temperature at which the fluidized bed reaction zone operated is pushed back. Nevertheless, this has the disadvantage connected that the efficiency of heterogeneous decomposition by a significant decrease in the silane pyrolysis temperature as well is affected. Another measure requires maintenance of low silane and / or halosilane concentrations in the reaction zone to ensure homogeneous decomposition limit. However, this measure has the disadvantage that that a low silane / halosilane concentration becomes a low silicon production speed. There is therefore a need for a fluidized bed reactor that Pyrolyze gases containing silane and / or halosilane at temperatures can, which leads to the efficient heterogeneous decomposition of Silane gases leads and in that through the homogeneous decomposition silicon powder generated in the fluidized bed is removed before it accumulates and the silicon powder particles occur gain supremacy in the fluidized bed.

Andere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und den darin erläuterten bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich. Die Erfindung betrifft einen Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit durch Einführung eines silanhaltigen Gasstroms in eine Reaktionszone aus fluidisierten Siliciumteilchen. Das silanhaltige Gas wird in der Reaktionszone heterogen zu Silicium zersetzt, wobei sich das resultierende Silicium auf den Siliciumteilchen niederschlägt. Die Ablagerung des Siliciums auf den Siliciumteilchen vergrößert die Siliciumteilchen und führt dazu, daß sich die vergrößerten Siliciumteilchen als Siliciumproduktteilchen in der Nähe des Bodens der Reaktionszone in einer Sammelzone abscheiden. Erfindungsgemäß ist die Anordnung einer Austragungszone oberhalb der Reaktionszone vorgesehen. Die Austragungszone hat eine Querschnittfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms. Die Austragungszone ist durch eine Fluidisierungsgasgeschwindigkeit gekennzeichnet, die ausreicht, eine wesentliche Menge an durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gases erzeugten Siliciumpulverteilchen auszutragen und zu entfernen, jedoch nicht ausreicht, nennenswerte Menge an Siliciumteilchen aus der Wirbelschicht auszutragen.Other objects, advantages and features of the invention will become apparent the description below and the preferred ones explained therein Embodiments in connection with the accompanying Drawings clearly. The invention relates to a fluidized bed reactor for the production of polycrystalline silicon high purity by introducing a gas stream containing silane into a reaction zone made of fluidized silicon particles. The gas containing silane becomes heterogeneous to silicon in the reaction zone decomposes, the resulting silicon on the  Precipitates silicon particles. The deposit of silicon on the silicon particles increases the silicon particles and leads to the fact that the enlarged silicon particles as Silicon product particles near the bottom of the reaction zone deposit in a collection zone. According to the invention Arrangement of a discharge zone is provided above the reaction zone. The discharge zone has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas flow, which is smaller than or equal to the cross-sectional area of the reaction zone perpendicular to the direction of the silane-containing gas flow. The host zone is by a fluidizing gas velocity featured that suffices a substantial amount of through the homogeneous decomposition of the silane-containing gas produced silicon powder particles discharge and remove, but not sufficient amount of silicon particles from the Discharge fluidized bed.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung polykristallinen Siliciums hoher Reinheit durch Pyrolyse von silanhaltigem Gas in einer Wirbelschichtreaktionszone aus Siliciumteilchen. Das Verfahren umfaßt als Schritt die Einführung eines silanhaltigen Gasstroms in die Reaktionszone aus fluidisierten Siliciumteilchen. Das silanhaltige Gas wird heterogen unter Bedingungen zersetzt, unter denen sich das Produktsilicium der heterogenen Zersetzung auf den Siliciumteilchen niederschlägt, wodurch sich die Siliciumteilchen vergrößern und als Siliciumproduktteilchen in einer Sammelzone abscheiden. Die Siliciumproduktteilchen werden aus der Sammelzone gewonnen. Durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms gebildete Siliciumpulverteilchen werden von den Siliciumteilchen der Wirbelschicht durch Durchleiten des Fluidisierungsgasstroms durch eine Austragungszone abgetrennt. Die Austragungszone hat eine Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms. Die Austragungszone ist durch eine Gasgeschwindigkeit gekennzeichnet, die ausreicht, eine wesentliche Menge an Siliciumpulverteilchen auszutragen und zu entfernen, jedoch nicht ausreicht, eine nennenswerte Menge der Siliciumteilchen auszutragen.The invention further relates to a method of manufacture high purity polycrystalline silicon by pyrolysis of gas containing silane in a fluidized bed reaction zone made of silicon particles. As a step, the method comprises the introduction a gas stream containing silane into the reaction zone from fluidized Silicon particles. The silane-containing gas becomes heterogeneous decomposes under conditions under which the product silicon which precipitates heterogeneous decomposition on the silicon particles, whereby the silicon particles enlarge and deposit as silicon product particles in a collection zone. The Silicon product particles are extracted from the collection zone. Formed by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream Silicon powder particles are made from the silicon particles the fluidized bed by passing the fluidizing gas stream separated by a discharge zone. The discharge zone has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing Gas flow that is less than or equal to Cross-sectional area of the reaction zone perpendicular to the direction of the  gas stream containing silane. The discharge zone is through a Gas velocity marked, which is sufficient, an essential Remove and remove the amount of silicon powder particles, however, an appreciable amount of the silicon particles is not sufficient to carry out.

Somit wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung und ein Mittel bereitgestellt, aus einer Wirbelschichtreaktionszone über eine Austragungszone durch die homogene Zersetzung von silanhaltigem Gas erzeugtes Siliciumpulver zu entfernen.According to the invention, a device and a means are thus provided, from a fluidized bed reaction zone over a Discharge zone through the homogeneous decomposition of silane To remove gas generated silicon powder.

Von den beigefügten Zeichnungen zeigtFrom the attached drawings shows

Fig. 1 schematisch ein Flußdiagramm eines Siliciumherstellungsverfahrens unter Verwendung eines Wirbelschichtreaktors zur Pyrolyse von silanhaltigen Gasen; Fig. 1 shows schematically a flow chart of a silicon manufacturing method using a fluidized bed reactor for the pyrolysis of silane-containing gases;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;2 shows a cross section through a particular embodiment of a device according to the invention.

Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dieser Vorrichtung; und Fig. 3 shows a further embodiment of this device according to the invention; and

Fig. 4 die Beziehung zwischen der Gasgeschwindigkeit zur maximalen Größe der austretenden Teilchen. Fig. 4 shows the relationship between the gas velocity to the maximum size of the exiting particles.

Der Begriff "heterogene Zersetzung", wie hier verwandt, betrifft die Reduktion von Silan oder Halogensilan zu Silicium, die in zwei oder mehr Phasen auftritt, etwa wenn die Zersetzung an der Grenze zwischen einer Gas- und einer festen Phase auftritt. Diese heterogene Zersetzung führt zur Ablagerung von Silicium entweder auf suspendierten Siliciumteilchen in der Wirbelschicht oder auf den inneren Oberflächen des Wirbelschichtreaktors. "Homogene Zersetzung" tritt in einer einzigen Phase auf, etwa der Gasphase, und erzeugt Siliciumpulver oder -staub mit hoher Oberfläche im Mikron- bis Submikrongrößenbereich. Im allgemeinen ist bei einer vorgegebenen Temperatur die Zersetzung von silanhaltigen Gasen entweder heterogen und/oder homogen, je nach der Konzentration des silanhaltigen Gases. Im allgemeinen ist eine geringe Silanspeisekonzentration wünschenswert, um die Zersetzung des silanhaltigen Gases und Halogensilans zu Silicium auf heterogene Weise durchzuführen. Jedoch kann eine sehr geringe Speisekonzentration an silanhaltigem Gas zu einer niedrigen Produktionsgeschwindigkeit des Siliciums führen.The term "heterogeneous decomposition" as used herein relates to the reduction of silane or halosilane to silicon, which occurs in two or more phases, such as when the decomposition occurs at the boundary between a gas and a solid phase. This heterogeneous decomposition leads to the deposition of silicon either on suspended silicon particles in the fluidized bed or on the inner surfaces of the fluidized bed reactor. "Homogeneous decomposition" occurs in a single phase on, such as the gas phase, and produces silicon powder or dust with a high surface area in the micron to submicron size range. in the  decomposition is generally at a given temperature of gases containing silane either heterogeneous and / or homogeneous, depending on the concentration of the silane-containing gas. In general a low silane feed concentration is desirable, about the decomposition of the silane-containing gas and halosilane to perform silicon in a heterogeneous manner. However can have a very low feed concentration of gas containing silane to a slow silicon production rate to lead.

Der Begriff "Siliciumsaatteilchen" bezeichnet solche Teilchen in der Wirbelschicht, die eine Größe im Bereich von 50 µ bis 400 µm aufweisen. Solche Teilchen vergrößern sich in gewünschter Weise, wenn Silicium darauf abgelagert wird, um sie schließlich als Siliciumproduktteilchen zu gewinnnen. "Siliciumproduktteilchen" sind solche Saatteilchen, die sich auf eine Größe von wenigstens 400 µm, vorzugsweise im Bereich von 400 µm bis 1300 µm, vergrößert haben. Solche Teilchen scheiden sich in der Nähe des Bodens der Reaktionszone ab und werden in einer Sammelzone gewonnen, die die Entfernung auf herkömmliche Weise erlaubt. Der Begriff "Siliciumteilchen" bezieht sich sowohl auf Siliciumsaatteilchen als auch auf Produktteilchen in der Wirbelschicht.The term "silicon seed particles" refers to such particles in the fluidized bed, which have a size in the range of 50 µ to 400 µm. Such particles enlarge in the desired Way, when silicon is deposited on it, eventually it to be obtained as silicon product particles. "Silicon product particles" are those seed particles that have a size of at least 400 µm, preferably in the range of 400 µm to 1300 µm, have enlarged. Such particles separate nearby the bottom of the reaction zone and are in a collection zone won, which allows removal in a conventional manner. The term "silicon particle" refers to both silicon seed particles as well as on product particles in the fluidized bed.

Der Begriff "Siliciumpulver" bezieht sich im allgemeinen auf Siliciumteilchen im Mikron- bis Submikronbereich mit hoher Oberfläche, die aus der homogenen Zersetzung des silan- und/ oder halogensilanhaltigen Gases resultieren.The term "silicon powder" generally refers to Silicon particles in the micron to submicron range with high Surface resulting from the homogeneous decomposition of the silane and / or result in gas containing halosilane.

Der Begriff "silanhaltiges Gas", wie hier verwandt, bezieht sich auf silan- und oder halogensilanhaltige Gase, sofern nicht anders angezeigt.The term "silane-containing gas" as used herein refers to gases containing silane and or halosilane, if not displayed differently.

Der Begriff "fluidisierendes Gas" oder "Fluidisierungsgas", wie hier verwandt, bezieht sich auf die Kombination von silanhaltigem Gas und jedem anderen zusätzlichen inerten Trägergas, das dem Wirbelschichtreaktor zugesetzt wird, um bei der Fluidisierung der Siliciumteilchen zu helfen. The term "fluidizing gas" or "fluidizing gas" as related here, refers to the combination of silane Gas and any other additional inert carrier gas that is added to the fluidized bed reactor to aid in fluidization to help the silicon particles.  

Polykristallines Silicium kann durch Einführung eines Stroms eines silanhaltigen Gases in die Wirbelschicht aus in einer Reaktionszone suspendierten Siliciumteilchen hergestellt werden. Diese Siliciumteilchen sind durch einen aufwärts gerichteten Strom eines fluidisierenden Gases in einer Reaktionszone suspendiert. Die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone wird auf einem Wert oberhalb der minimalen Fluidisierungsgasgeschwindigkeit der Siliciumteilchen gehalten. Die Temperatur in der Reaktionszone wird innerhalb eines Bereichs zwischen der Zersetzungstemperatur des silanhaltigen Gases und der Schmelztemperatur von Silicium gehalten. Das silanhaltige Gas wird unter Bildung von Silicium zersetzt, daß sich auf der Oberfläche der Siliciumteilchen niederschlägt. Wenn sich das Silicium auf den Siliciumteilchen ablagert, vergrößern sich diese Teilchen und scheiden sich in der Nähe des Bodens der Wirbelschicht in einer unterhalb der Reaktionszone angeordneten Sammelzone ab. Die Sammelzone kann eine jede bekannte Sammeleinrichtung zur Gewinnung feinteiligen Materials umfassen. Die Produktteilchen werden auf herkömmliche Weise aus der Sammelzone gewonnen.Polycrystalline silicon can be introduced by introducing a current a gas containing silane into the fluidized bed in one Reaction zone suspended silicon particles are made. These silicon particles are directed upwards Flow of a fluidizing gas in a reaction zone suspended. The fluidizing gas velocity through the Reaction zone is at a value above the minimum fluidizing gas velocity the silicon particles held. The Temperature in the reaction zone is within a range between the decomposition temperature of the gas containing silane and the melting temperature of silicon. The silane-containing Gas is decomposed to form silicon that is on the Precipitation surface of the silicon particles. If that Silicon deposits on the silicon particles enlarge these particles and separate near the bottom of the Fluidized bed arranged in a below the reaction zone Collection zone. The collecting zone can be any known collecting device to obtain finely divided material. The Product particles are removed from the collection zone in a conventional manner won.

Das silanhaltige Gas kann in Übereinstimmung mit herkömmlichen Praktiken über den Boden in die Wirbelschichtreaktionszone eingeführt werden. Das silanhaltige Gas kann ohne Verdünnung eingeführt werden oder aber mit einem inerten Trägergas, etwa Wasserstoff, Argon, Helium oder dergleichen, verdünnt werden. Während der Zersetzung von Silan wird Wasserstoff als Nebenprodukt erzeugt und kann zur Verwendung als Trägergas für weitere Mengen an Silanspeisegas im halbkontinuierlichen oder kontinuierlichen Betrieb einer Wirbelschicht zurückgeführt werden.The silane-containing gas can be used in accordance with conventional Practices introduced across the floor into the fluidized bed reaction zone will. The gas containing silane can be introduced without dilution or with an inert carrier gas, such as hydrogen, Argon, helium or the like can be diluted. While The decomposition of silane becomes hydrogen as a by-product generated and can be used as a carrier gas for additional quantities on silane feed gas in semi-continuous or continuous Operation of a fluidized bed.

Ein jeder geeignete silanhaltige Gasstrom, der thermisch in der Gasphase zu Silicium pyrolisiert oder reduziert werden kann, kann als Speisegas für die Wirbelschicht verwandt werden. Beispiele für solche Gase sind Silan und Halogensilane von Chlor, Brom, Fluor und Iod. Obwohl die Chlorsilane, etwa Trichlorsilan, Tetrachlorsilan und Dichlorsilan verwandt werden können, sind besondere Vorteile mit der Verwendung von Silan verbunden. Die leicht exotherme Silanpyrolysereaktion läuft im wesentlichen vollständig ab, ist irreversibel und wird, im Vergleich zu den für die Pyrolyse von Halogensilangasen und dergleichen verlangten Temperaturen, bei einer etwas niedrigeren Temperatur von etwa 200°C initiiert. Zusätzlich sind das Silan und seine Zersetzungsprodukte, d. h. Silicium und Wasserstoff, nicht korrosiv und umweltunschädlich. Im Vergleich dazu ist die Chlorsilanzersetzung eine reversible und unvollständige Reaktion, die zur Erzeugung von Nebenprodukten führt, die in ihrer Natur korrosiv sind. Entsprechend ist Silan das bei der Ausführung der Erfindung bevorzugte Gas, obwohl andere silanhaltige Gase verwandt werden können.Any suitable silane-containing gas stream that is thermally in the Gas phase can be pyrolyzed or reduced to silicon, can be used as feed gas for the fluidized bed. Examples for such gases are chlorine silane and halosilanes,  Bromine, fluorine and iodine. Although the chlorosilanes, such as trichlorosilane, Tetrachlorosilane and dichlorosilane can be used are special advantages associated with the use of silane. The slightly exothermic silane pyrolysis reaction runs essentially completely, is irreversible and will, in comparison to those for pyrolysis of halosilane gases and the like required temperatures, at a slightly lower temperature initiated by about 200 ° C. In addition, this is silane and its Decomposition products, d. H. Silicon and hydrogen, not corrosive and harmless to the environment. In comparison, the chlorosilane decomposition a reversible and incomplete reaction that leads to the production of by-products that are corrosive in nature are. Accordingly, this is the silane in the execution of the Invention preferred gas, although related to other silane-containing gases can be.

Die Silanspeisegasströme und die inerten Trägergasströme können unter Verwendung eines herkömmlichen Gasverteilers unter der Reaktionszone zur Bildung des Fluidisierungsgasstroms in die Reaktionszone eingeführt werden. Die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone wird im allgemeinen auf einer Geschwindigkeit gehalten, die dem Ein- bis Achtfachen, vorzugsweise dem Zwei- bis Fünffachen, der minimalen zur Fluidisierung der Teilchen mit durchschnittlichem Durchmesser in der Wirbelschicht erforderlichen Fluidisierungsgeschwindigkeit entspricht. Der Begriff "durchschnittlicher Durchmesser", wie hier verwandt, bezeichnet die Summe der Quotienten eines gegebenen Teilchendurchmessers und der den jeweiligen Teilchen mit dem gegebenen Durchmesser zugeordneten Gewichtsfraktion. Vorzugsweise beträgt die Fluidisierungsgeschwindigkeit etwa das Vierfache der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit der Siliciumteilchen in der Wirbelschicht. Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit kann auf herkömmliche und bekannte Weise bestimmt werden, etwa mit der GleichungThe silane feed gas streams and the inert carrier gas streams can using a conventional gas distributor under the Reaction zone to form the fluidizing gas stream in the Reaction zone are introduced. The fluidizing gas velocity through the reaction zone is generally on a Speed kept one to eight times, preferably two to five times, the minimum for fluidization the average diameter particles in the fluidized bed required fluidization rate corresponds. The term "average diameter," as used here, denotes the sum of the quotients of a given Particle diameter and that of the respective particles with the weight fraction assigned to given diameter. Preferably the fluidization rate is about four times the minimum fluidization rate of the silicon particles in the fluidized bed. The minimum fluidization rate can be determined in a conventional and known manner with the equation

worinwherein

V₀ = minimale Oberflächengasgeschwindigkeit zur Fluidisierung (m/s)
D p = durchschnittlicher Teilchendurchmesser in der Schicht (m)
ρ = Dichte des Fluidisierungsgases (kg/m³)
ρ p = Dichte der Teilchen (kg/m³)
Φ S = Sphärizität der Teilchen
ε = Leerfraktion in der Teilchenschicht bei minimaler Fluidisierung
µ = absolute Viskosität des Fluidisierungsgases (kg/ms)
g = Gravitationsbeschleunigung (m/s²)
V ₀ = minimum surface gas velocity for fluidization (m / s)
D p = average particle diameter in the layer (m)
ρ = density of the fluidizing gas (kg / m³)
ρ p = density of the particles (kg / m³)
Φ S = sphericity of the particles
ε = empty fraction in the particle layer with minimal fluidization
µ = absolute viscosity of the fluidizing gas (kg / ms)
g = gravitational acceleration (m / s²)

Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ist eine strenge Funktion der Gasgeschwindigkeit und Gasdichte, wie auch des durchschnittlichen Teilchendurchmessers, der Teilchenform und der Leerfraktion. Somit kann die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit bei geringen Änderungen dieser Faktoren einen weiten Bereich abdecken.The minimum fluidization rate is strict Function of gas velocity and gas density, as well as the average particle diameter, particle shape and the empty fraction. Thus, the minimum fluidization rate with minor changes in these factors cover a wide area.

Die minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit wird vorzugsweise für Bedingungen errechnet, wie sie in der Nähe des Gasverteilers existieren. Bei Verwendung solcher Bedingungen, die die Temperaturen einschließen, die normalerweise niedriger sind als im Rest der Reaktionszone, ist es möglich, sicherzustellen, daß die errechnete minimale Fluidisierungsgeschwindigkeit ausreicht, die gesamte Schicht zu fluidisieren. Bei erhöhten Temperaturen in der Reaktionszone sind die die Viskosität und Dichte betreffenden Variablen in der obenangegebenen Gleichung temperaturempfindlich und können zu einer minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit führen, die nicht ausreicht, die Schicht bei den geringeren Temperaturen im unteren Teil der Schicht zu fluidisieren. Bei Berechnung der minimalen Fluidisierungsgeschwindigkeit auf Basis der kühleren Bedingungen ist es aber möglich, die Berechnung der geringsten Fluidisierungsgasgeschwindigkeit zu gewährleisten, die die gesamte Schicht fluidisiert. Die Erfindung ist nicht auf spezifische minimale Fluidisierungsgeschwindigkeiten beschränkt; brauchbare minimale Fluidisierungsgeschwindigkeiten liegen jedoch im Bereich von 12,2 cm/s bis 42,7 cm/s (0,4′/s bis 1,4′/s), vorzugsweise von 18,3 cm/s bis 36,6 cm/s (0,6′/s bis 1,2′/s), und am meisten bevorzugt von 27,4 cm/s bis 33,5 cm/s (0,9′/s bis 1,1′/s). Obwohl die Pyrolyse von Silan das Gasvolumen in der Reaktionszone erhöht (1 Mol Silangas ergibt 2 Mol Wasserstoffgas), kann die Volumenzunahme des durch die Reaktionszone geführten Gases zumindest teilweise durch die Steuerung des volumetrischen Stroms der Speisegase ausgeglichen werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen in der Austragungszone benötigten Gasgeschwindigkeit kann das benötigte Gasvolumen, das die Reaktionszone verläßt, bestimmt werden. Unter Berücksichtigung des Volumens des in der Pyrolysereaktion erzeugten zusätzlichen Gases ist es möglich, das erwünschte Volumen an Speisegas, das zur Erzielung des die Reaktionszone verlassenden gewünschten Volumens benötigt wird, zu bestimmen. Es ist festzustellen, daß das Verhältnis von Trägergas zu Reaktionsgas in den Speisegasen eine Auswirkung auf die Gesamtmenge an im Pyrolyseschritt erzeugten Nebenproduktgas hat. Wenn weniger Nebenproduktgas erwünscht ist, kann das Verhältnis von silanhaltigem Gas zu inertem Gas vermindert werden. Falls mehr Nebenproduktgas erwünscht ist, kann das Verhältnis von silanhaltigem Gas zu Inertgas erhöht werden.The minimum fluidization rate is preferred calculated for conditions such as those near the gas distributor exist. When using such conditions that the Include temperatures that are usually lower than in the rest of the reaction zone, it is possible to ensure that the calculated minimum fluidization speed is sufficient, fluidize the entire layer. At elevated temperatures in the reaction zone are those concerning viscosity and density Variables in the equation given above are temperature sensitive and can at a minimal fluidization rate lead, which is not sufficient, the layer at the lesser Fluidize temperatures in the lower part of the layer. When calculating the minimum fluidization rate However, based on the cooler conditions, it is possible to do the calculation to ensure the lowest fluidizing gas velocity, which fluidizes the entire layer. The invention is  not to specific minimum fluidization rates limited; usable minimum fluidization rates are, however, in the range from 12.2 cm / s to 42.7 cm / s (0.4 ′ / s up to 1.4 ′ / s), preferably from 18.3 cm / s to 36.6 cm / s (0.6 ′ / s to 1.2 '/ s), and most preferably from 27.4 cm / s to 33.5 cm / s (0.9 ′ / s to 1.1 ′ / s). Although the pyrolysis of silane Gas volume in the reaction zone increased (1 mol of silane gas gives 2 Mole of hydrogen gas), the increase in volume caused by the Reaction zone led gas at least partially through the Control of volumetric flow of feed gases balanced will. Depending on the respective in the discharge zone required gas velocity, the required gas volume, that leaves the reaction zone can be determined. Considering the volume of the additional generated in the pyrolysis reaction Gases it is possible to add the desired volume Feed gas, which is used to obtain the gas leaving the reaction zone desired volume is required to determine. It should be noted that the ratio of carrier gas to reaction gas in the feed gases have an impact on the total amount in the pyrolysis step generated by-product gas. If less by-product gas is desirable, the ratio of silane Gas can be reduced to inert gas. If more by-product gas is desirable, the ratio of gas containing silane to Inert gas can be increased.

Wie diskutiert, wird die Temperatur in der Reaktionszone innerhalb des Zersetzungsbereichs des silanhaltigen Gases und der Schmelztemperatur von Silicium gehalten. Die niedrigste Temperatur, bei der die Zersetzung von Silan auftritt, ist etwa 200°C. Die Schmelztemperatur von Silicium liegt bei etwa 1400°C. Es ist deshalb bevorzugt, die Reaktionszone bei einer Temperatur im Bereich von 200°C bis 1400°C, vorzugsweise von 550°C bis 1000°C, zu betreiben. Die Temperatur, die benötigt wird, um die Reaktionszone bei solchen Temperaturen zu halten, kann mit herkömmlichen Heizsystemen erzeugt werden, etwa durch elektrische Widerstandsheizer, die an der Außenseite der Reaktorwand angeordnet sind. As discussed, the temperature in the reaction zone is within the decomposition range of the silane-containing gas and the Melting temperature kept by silicon. The lowest temperature at which the decomposition of silane occurs is approximately 200 ° C. The melting temperature of silicon is around 1400 ° C. It is therefore preferred to have the reaction zone at a Temperature in the range of 200 ° C to 1400 ° C, preferably from 550 ° C to 1000 ° C to operate. The temperature that needed to keep the reaction zone at such temperatures can be generated with conventional heating systems, for example by electrical resistance heaters located on the outside of the reactor wall are arranged.  

Die Herstellung von polykristallinem Silicium in einem Wirbelschichtreaktor hängt von der Versorgung der Schicht mit Siliciumsaatteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 50 µm bis 400 µm ab. Diese Siliciumsaatteilchen bilden das Substrat, auf dem das aus der heterogenen Zersetzung des Silans herrührende Silicium abgelagert wird. In dem Maße, in dem sich das Silan zersetzt und die Siliciumteilchen in der Größe wachsen, scheiden sich die vergrößerten Produktteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von wenigstens etwa 400 µm in der Nähe des Bodens der Reaktionszone in einer Sammelzone ab. Diese vergrößerten Teilchen haben vorzugsweise einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 400 µm bis 1300 µm und stärker bevorzugt von etwa 1000 µm. Die Siliciumproduktteilchen werden dann gesammelt und können entweder kontinuierlich oder periodisch aus der Sammelzone abgezogen werden. Die Produktteilchen haben eine hinreichende Größe, daß sie einfach und ohne unerwünschte Kontaminierung des hochreinen Materials gehandhabt werden können.The production of polycrystalline silicon in a fluidized bed reactor depends on the supply of the layer with silicon seed particles with an average diameter in Range from 50 µm to 400 µm. These silicon seed particles form the substrate on which the heterogeneous decomposition of the silane originating silicon is deposited. In this scale, in which the silane decomposes and the silicon particles in the Growing in size, the enlarged product particles separate with an average diameter of at least about 400 µm near the bottom of the reaction zone in a collection zone from. These enlarged particles preferably have an average diameter in the range of 400 microns to 1300 µm and more preferably about 1000 µm. The silicon product particles are then collected and can either be continuous or periodically withdrawn from the collection zone. The product particles are of a sufficient size that they simple and without unwanted contamination of the high-purity material can be handled.

Es ist möglich, zur Versorgung der Wirbelschicht mit Ersatz- Siliciumsaatteilchen einen kleinen Anteil des Produktmaterials abzuzweigen und dieses Material mit geeigneten Methoden zu Teilchen mit Saatteilchengröße zu zerstoßen oder zu zermahlen. Die saatgroßen Teilchen können dann erneut in die Wirbelschicht eingeführt werden. Nach der Einführung werden solche kleinen Siliciumsaatteilchen Wachstumsstellen der Silanzersetzung, wie zuvor, und nehmen langsam an Größe zu, um als Produktteilchen aus der Schicht abgezogen zu werden.It is possible to supply the fluidized bed with replacement Silicon seed particles make up a small proportion of the product material branch off and this material using suitable methods To crush or grind particles of seed size. The seed-sized particles can then enter the fluidized bed again be introduced. After the introduction, such small Silicon seed particles growth sites of silane decomposition, such as previously, and slowly increase in size to serve as product particles to be pulled out of the layer.

In einem Wirbelschichtreaktor ist die homogene Zersetzung von silanhaltigen Gasen, die zur Bildung von Siliciumpulver mit hoher Oberfläche führt, aus mehreren Gründen unerwünscht. Hauptsächlich vermindert die hohe Oberfläche des unerwünschten Siliciumpulver im Wirbelschichtreaktor die Geschwindigkeit, mit der die Siliciumteilchen in der Wirbelschicht wachsen. In dem Maße, wie das Siliciumpulver in der Wirbelschicht zunimmt, fällt die Wachstumsgeschwindigkeit der Siliciumteilchen ab. Mit Zunahme der Pyrolyse fängt die Schicht an, sich in kleinere Teilchen am oberen Ende und größere Teilchen am Boden aufzutrennen. Da die größeren Teilchen vom Boden des Reaktors abgezogen werden, werden nur große Teilchen entfernt. Die Menge an Siliciumteilchen in der Wirbelschicht wird zunehmend kleiner, während die Menge an Siliciumpulverteilchen immer mehr dominiert. Dies hat die Wirkung einer Verarmung an Siliciumteilchen, so daß schließlich der gesamte Wirbelschichtreaktor im wesentlichen zu einer Schicht kleiner Siliciumpulverteilchen wird. Daraus folgt, daß die Entfernung dieser Siliciumpulverteilchen dem Betrieb des Verfahrens zur Herstellung von hochreinem Silicium aus silanhaltigen Gasen in einem Wirbelschichtreaktor nützt.In a fluidized bed reactor, the homogeneous decomposition of gases containing silane, which are used to form silicon powder high surface area, undesirable for several reasons. Mainly reduces the high surface area of the unwanted Silicon powder in the fluidized bed reactor the speed with which the silicon particles grow in the fluidized bed. By doing Dimensions of how the silicon powder increases in the fluidized bed,  the growth rate of the silicon particles drops. As pyrolysis increases, the layer begins to become smaller Separate particles at the top and larger particles at the bottom. As the larger particles are pulled off the bottom of the reactor only large particles are removed. The amount of Silicon particles in the fluidized bed is getting smaller, while the amount of silicon powder particles is becoming more and more dominant. This has the effect of depleting silicon particles, so that finally the entire fluidized bed reactor in the essentially to a layer of small silicon powder particles becomes. It follows that the removal of these silicon powder particles the operation of the process for producing high purity Silicon from gases containing silane in a fluidized bed reactor useful.

In der Praxis wurde gefunden, daß durch Anordnung einer Austragungszone, die durch eine bestimmte Gasgeschwindigkeit gekennzeichnet ist, oberhalb der Wirbelschichtreaktionszone eine wesentliche Menge der durch die homogene Zersetzung von Silan erzeugten Siliciumstaubteilchen aus dem Wirbelschichtreaktor entfernt werden kann, ohne eine nennenswerte Menge der in der Wirbelschicht vorhandenen Siliciumteilchen zu entfernen. Die Austragungszone hat vorzugsweise eine kleinere Querschnittsfläche als die Wirbelschichtreaktionszone. Die Geschwindigkeit des durch die Austragungszone strömenden Fluidisierungsgases muß so sein, daß für eine gegebene Querschnittsfläche der Austragungszone die Siliciumpulverteilchen ausgetragen und durch den oberen Teil des Reaktors herausgetragen werden. Jedoch ist im Idealfall die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit nicht so groß, daß sie zu einem Austragungsverlust einer nennenswerten Menge an Siliciumteilchen aus der Wirbelschicht führt. Es wurde generell gefunden, daß eine zur Erreichung dieser Ziele geeignete Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Austragungszone im Bereich von 3 cm/s bis 146 cm/s (0,1′/s bis 4,8′/s) liegt.In practice it has been found that by arranging a discharge zone, which are characterized by a certain gas velocity is one above the fluidized bed reaction zone substantial amount due to the homogeneous decomposition of silane generated silicon dust particles from the fluidized bed reactor can be removed without a significant amount of in the Fluid bed to remove existing silicon particles. The The discharge zone preferably has a smaller cross-sectional area than the fluidized bed reaction zone. The speed of the fluidizing gas flowing through the discharge zone must be such that for a given cross-sectional area of the discharge zone the silicon powder particles discharged and through the upper part of the reactor are carried out. However is ideally, the fluidizing gas velocity is not so great that they lead to a significant loss Amount of silicon particles from the fluidized bed. It was generally found to be a suitable one to achieve these goals Fluidizing gas velocity through the discharge zone is in the range of 3 cm / s to 146 cm / s (0.1 ′ / s to 4.8 ′ / s).

Sobald eine erwünschte Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone aufgestellt ist, können die jeweiligen Dimensionen der Austragungszone auf herkömmliche Weise bestimmt werden. Beispielsweise nimmt mit der Abnahme des Durchmessers der Austragungszone die Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone bei einer vorgegebenen Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone zu. Entsprechend nimmt bei einer Zunahme des Durchmessers der Austragungszone die Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone bei einer gegebenen Gasgeschwindigkeit einer Reaktionszone ab. Damit stellt der Durchmesser der Austragungszone eine Variable dar, die zur Erzielung der erwünschten Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone eingestellt werden kann.As soon as a desired gas velocity through the discharge zone is set up, the respective dimensions  the discharge zone can be determined in a conventional manner. For example, as the diameter of the discharge zone decreases the gas velocity through the discharge zone at a given gas velocity through the reaction zone to. Accordingly, with an increase in diameter the discharge zone the gas velocity through the discharge zone at a given gas velocity in a reaction zone from. This represents the diameter of the discharge zone is a variable used to achieve the desired gas velocity be set by the discharge zone can.

Ein erfindungsgemäß konstruierter Wirbelschichtreaktor ist im allgemeinen ein senkrechtes Gefäß. Obwohl ein zylindrisches Gefäß und eine solche Reaktionszone bevorzugt sind, versteht es sich, daß eine jegliche für den Wirbelschichtbetrieb geeignete Konfiguration verwandt werden kann. Die besonderen Dimensionen der Reaktionszone und des Reaktionsgefäßes hängt in erster Linie von der Ökonomie des Entwurfs ab. Die Reaktionszone darf nicht zu eng sein oder eine niedrige Produktion ist die Folge. Entsprechend darf sie nicht zu weit sein, oder Wärmetransferunzulänglichkeiten und Fluidisierungsschwierigkeiten treten auf.A fluidized bed reactor constructed according to the invention is in the generally a vertical vessel. Although a cylindrical vessel and such a reaction zone is preferred, of course that any one suitable for fluid bed operation Configuration can be used. The special dimensions the reaction zone and the reaction vessel depends primarily depends on the economy of the design. The reaction zone is allowed the result is not too tight or low production. Accordingly, it must not be too far, or inadequate heat transfer and fluidization difficulties arise.

Wie allgemein oben erwähnt, hängt der Durchmesser der Austragungszone von der erwünschten Fluidisierungsgeschwindigkeit des Fluidisierungsgases, das durch die Austragungszone strömt, ab, wie auch von der Größe der Siliciumpulverteilchen, deren Entfernung erwünscht ist, und der Größe der Siliciumteilchen, deren Zurückhaltung erwünscht ist. Für eine vorgegebene Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone ist die Beziehung durch die Geraden in Fig. 4 für Austragungszonen mit einem Durchmesser von weniger als oder gleich dem Durchmesser der Reaktionszone erläutert. In der Auftragung zeigt die Gerade 1 die Beziehung zwischen der maximalen Größe der austretenden Teilchen und er Gasgeschwindigkeit in der Reaktionszone für eine Austragungszone mit einem Durchmesser von 20 cm. Gerade 2 zeigt die gleiche Beziehung für eine Austragungszone mit einem Durchmesser von 25 cm und Gerade 3 das gleiche für einen Austragungszonendurchmesser von 30 cm. Diese Gerade erläutern, daß mit der Zunahme des Durchmessers der Austragungszone (Geraden 1, 2 und 3) die maximale Größe der austretenden Teilchen (y- Achse) für eine gegebene Fluidisierungsgasgeschwindigkeit (x- Achse) vermindert wird. Dies folgt, weil die Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone mit zunehmendem Durchmesser bei vorgegebener Reaktionszonen Strömungsgeschwindigkeit abnimmt.As generally mentioned above, the diameter of the discharge zone depends on the desired fluidization rate of the fluidizing gas flowing through the discharge zone, as well as the size of the silicon powder particles whose removal is desired and the size of the silicon particles whose retention is desired. For a given fluidization gas velocity through the reaction zone, the relationship is illustrated by the straight line in FIG. 4 for discharge zones with a diameter less than or equal to the diameter of the reaction zone. In the plot, straight line 1 shows the relationship between the maximum size of the emerging particles and the gas velocity in the reaction zone for a discharge zone with a diameter of 20 cm. Line 2 shows the same relationship for a discharge zone with a diameter of 25 cm and line 3 shows the same for a discharge zone diameter of 30 cm. This straight line explains that as the diameter of the discharge zone (lines 1 , 2 and 3 ) increases, the maximum size of the exiting particles (y axis) for a given fluidizing gas velocity (x axis) decreases. This follows because the gas velocity through the discharge zone decreases with increasing diameter with a given reaction zone flow velocity.

Die Geraden C-1 und C-2 erläutern einen erweiterten Kopf, wie er herkömmlicherweise bei der Silanproduktion verwandt und oberhalb der Reaktionszone angeordnet worden ist, und der einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Reaktionszone und der nicht der Erfindung entspricht. Die Geraden C-1 und C-2 sind nur zu Vergleichszwecken aufgeführt. Der erweiterte Kopf führt im allgemeinen zu einer Gasgeschwindigkeit, die nicht ausreicht, Siliciumteilchen hinüberzutragen. Jedoch führt der erweiterte Kopf auch zu einer Gasgeschwindigkeit, die nicht ausreicht, einen wesentlichen Teil der Siliciumpulverteilchen herauszutragen. Im Gegensatz dazu ergibt die Austragungszone der Geraden 1, 2 oder 3 eine Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone, die ausreicht, einen wesentlichen Teil der Siliciumpulverteilchen zu entfernen, ohne eine nennenswerte Menge an Siliciumteilchen auszutragen.Lines C - 1 and C - 2 illustrate an expanded head conventionally used in silane production and located above the reaction zone and which has a diameter which is larger than the diameter of the reaction zone and which does not correspond to the invention. Lines C - 1 and C - 2 are only shown for comparison purposes. The enlarged head generally results in a gas velocity that is insufficient to carry silicon particles over. However, the enlarged head also leads to a gas velocity which is insufficient to carry out a substantial part of the silicon powder particles. In contrast, the discharge zone of line 1 , 2 or 3 gives a gas velocity through the discharge zone which is sufficient to remove a substantial part of the silicon powder particles without discharging any significant amount of silicon particles.

Die Austragung von Siliciumpulver wird auch von der Länge der Austragungszone beeinflußt. Die Länge der Austragungszone ist wiederum abhängig von der Fluidisierungsgasgeschwindigkeit, dem Austragungszonendurchmesser und der durchschnittliche Teilchengröße, die ausgetragen werden soll. Die Austragungszonenhöhe für einen gegebenen Austragungszonendurchmesser kann durch die Gleichung wie folgt bestimmt werden:The discharge of silicon powder is also dependent on the length of the Discharge zone influenced. The length of the discharge zone is again depending on the fluidization gas velocity, the Discharge zone diameter and average particle size, to be carried out. The discharge zone height for a given discharge zone diameter can be by the equation can be determined as follows:

E = 3.43 ( µ c /µ₀) (V²/gZ) 1.42 E = 3.43 ( µ c / µ ₀) (V ² / gZ) 1.42

worinwherein

E = Austragung in kg Feststoff/kg Gas
µ c = Gasviskosität unter Betriebsbedingungen (kg/ms)
µ₀ = Luftviskosität bei 25°C (kg/ms)
V = Gasgeschwindigkeit (m/s)
g = Gravitationsbeschleunigung (m/s²)
Z = Höhe der Austragungszone (m)
E = discharge in kg solid / kg gas
µ c = gas viscosity under operating conditions (kg / ms)
µ ₀ = air viscosity at 25 ° C (kg / ms)
V = gas velocity (m / s)
g = gravitational acceleration (m / s²)
Z = height of the discharge zone (m)

Vorzugsweise liegt die Höhe der Austragungszone für Zwecke der Erfindung im Bereich von 71 cm bis 710 cm (2′ bis 20′), stärker bevorzugt bei 152,5 cm bis 305 cm (5′ bis 10′).The height of the discharge zone is preferably for the purpose of Invention in the range of 71 cm to 710 cm (2 'to 20'), stronger preferably at 152.5 cm to 305 cm (5 ′ to 10 ′).

Die Höhe der Austragungszone ist besonders wichtig, wenn die Austragungszone einen Durchmesser hat, der gleich dem Durchmesser der Reaktionszone ist. Wegen der äquivalenten Durchmesser sind die Gasgeschwindigkeiten durch die Reaktionszone (V₁) und die Austragungszone (V₂) die gleichen, sofern nicht eine externe Gasquelle an die Austragungszone angeschlossen wird. Die erwünschte Abtrennung von Siliciumpulverteilchen von Siliciumteilchen kann erreicht werden, indem eine Austragungszone mit einer ausreichenden Höhe, daß die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit eine wesentliche Menge der Siliciumpulverteilchen entfernt, ohne eine nennenswerte Menge der größeren Siliciumteilchen zu entfernen. Wenn die Austragungszone hinreichend hoch ist, verlieren die größeren Siliciumteilchen ihre Aufwärtsgeschwindigkeit und fallen somit gravitationsbedingt in die Wirbelschichtreaktionszone zurück, während die kleineren Siliciumpulverteilchen ausgetragen und als Folge der Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch den oberen Teil der Austragungszone herausgetragen werden.The height of the discharge zone is particularly important if the discharge zone has a diameter which is equal to the diameter of the reaction zone. Because of the equivalent diameter, the gas velocities through the reaction zone (V ₁) and the discharge zone (V ₂) are the same, unless an external gas source is connected to the discharge zone. The desired separation of silicon powder particles from silicon particles can be achieved by having a discharge zone of sufficient height that the fluidizing gas velocity removes a substantial amount of the silicon powder particles without removing a significant amount of the larger silicon particles. If the discharge zone is sufficiently high, the larger silicon particles lose their upward velocity and thus fall back into the fluidized bed reaction zone due to gravity, while the smaller silicon powder particles are discharged and are carried out through the upper part of the discharge zone as a result of the fluidizing gas velocity.

Die Gasgeschwindigkeiten durch die Reaktionszone (V₁) und die Austragungszone (V₂) werden so gewählt, daß eine wirksame Wirbelschicht aufrechterhalten wird und zugleich eine wirksame Entfernung der Siliciumpulverteilchen erreicht wird. Deshalb variieren die jeweiligen Dimensionen der Austragungszone mit der Größe der Siliciumteilchen und der jeweils gewünschten Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone. Durch die Kombination der die Höhe der Austragungszone und den Durchmesser der Austragungszone betreffenden Variablen ist es möglich, eine Gasgeschwindigkeit (V₂) bereitzustellen, die Siliciumpulverteilchen austrägt, jedoch keine nennenswerte Menge der größeren Siliciumteilchen.The gas velocities through the reaction zone (V ₁) and the discharge zone (V ₂) are chosen so that an effective fluidized bed is maintained and at the same time an effective removal of the silicon powder particles is achieved. The respective dimensions of the discharge zone therefore vary with the size of the silicon particles and the desired fluidizing gas velocity through the reaction zone. The combination of the variables relating to the height of the discharge zone and the diameter of the discharge zone makes it possible to provide a gas velocity (V ₂) which discharges silicon powder particles, but not a significant amount of the larger silicon particles.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist es bevorzugt, daß die planare Querschnittsfläche der Austragungszone kleiner ist als eine ähnliche planare Querschnittsfläche durch die Reaktionszone. In einer typischen zylindrischen Reaktionszone liegt der Reaktionszonendurchmesser bei etwa 30,5 cm (12″). Deshalb ist die Austragungszone vorzugsweise nicht größer als 30,5 cm (12″) im Durchmesser. Stärker bevorzugt liegt der Austragungszonendurchmesser im Bereich von 17,8 cm bis 25,4 cm (7″ bis 10″), und am meisten bevorzugt bei etwa 20,3 cm (8″). Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf diese Dimensionen beschränkt ist, solange die Entfernung der Siliciumpulverteilchen erreicht wird, ohne daß eine nennenswerte Menge an Siliciumteilchen ausgetragen wird.In a particular embodiment of the invention, it is preferred that the planar cross-sectional area of the discharge zone is smaller than a similar planar cross-sectional area the reaction zone. In a typical cylindrical reaction zone the reaction zone diameter is about 30.5 cm (12 ″). Therefore, the discharge zone is preferably not larger than 30.5 cm (12 ″) in diameter. Is more preferred the discharge zone diameter in the range from 17.8 cm to 25.4 cm (7 ″ to 10 ″), and most preferably about 20.3 cm (8th"). However, it is understood that the invention is not based on this Dimensions is limited as long as the removal of the silicon powder particles is achieved without a significant Amount of silicon particles is discharged.

In der Praxis der Erfindung kann der Fachmann wesentliche Mengen an Siliciumpulver aus der Reaktionszone einer Wirbelschicht für die Herstellung von polykristallinem Silicium durch Pyrolyse von silanhaltigem Gas entfernen. Vorzugsweise erlaubt die Erfindung die Entfernung von wenigstens 50% des durch die homogene Zersetzung von silanhaltigem Gas erzeugten Siliciumpulvers. Gemäß einer am meisten bevorzugten Ausführungsform werden wenigstens etwa 90% entfernt. Weiterhin erlaubt die Praxis der Erfindung eine Begrenzung des Austragungsverlusts auf weniger als etwa 70% der Siliciumteilchen der Wirbelschicht, stärker bevorzugt auf weniger als etwa 10% und am meisten bevorzugt auf weniger als etwa 1%.In the practice of the invention, those skilled in the art can make substantial amounts of silicon powder from the reaction zone of a fluidized bed for the production of polycrystalline silicon by pyrolysis remove from gas containing silane. Preferably, the Invention the removal of at least 50% by the homogeneous Decomposition of silane-containing gas produced silicon powder. According to a most preferred embodiment at least about 90% removed. Furthermore, the practice of Invention limit the loss of carryout to less than about 70% of the fluidized bed silicon particles, stronger preferably less than about 10% and most preferred to less than about 1%.

Praktische Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachstehende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verdeutlicht. Es versteht sich, daß die Beschreibung sich auf die Erläuterung bevorzugter und alternativer Ausführungsformen der Erfindung bezieht und nicht beschränkend zu verstehen ist.Practical embodiments of the invention are described in description below in conjunction with the accompanying  Drawings made clear. It is understood that the description refer to the explanation of more preferred and alternative Embodiments of the invention relate to and not limitative is to be understood.

Fig. 1 zeigt schematisch das Gesamtverfahren der Zersetzung von Silan, bei dem die Austragungszone der Wirbelschicht vorteilhaft eingesetzt werden kann. Das Verfahren schließt einen Reaktor 48, einen Wärmetauscher 42, einen Filter 38, einen Kompressor 37 und einen Gasseparator 36 ein. Der Wirbelschichtreaktor 48 wird durch eine Heizvorrichtung beheizt, die allgemein mit 49 bezeichnet ist. Das Silanspeisematerial in der Leitung 32 wird mit dem rückgeführten Wasserstoff und/oder inerten Trägergas in Leitung 34 vereinigt und bildet den direkten Fluidisierungsgasstrom durch Leitung 33 in den Boden des Reaktors 48. Siliciumsaatteilchen herkömmlicher Größe werden in den Reaktor 48 durch die Leitung 30 eingeführt. Diese Siliciumsaatteilchen werden als Wirbelschicht im Reaktor 48 suspendiert und durch den durch Leitung 33 in den Reaktor 48 eintretenden Fluidisie­ rungs-Speisegasstrom bewegt. Die Siliciumproduktteilchen, die aus der Ablagerung von Silicium auf den Siliciumteilchen des Wirbelschichtreaktors 48 resultieren, werden in der Nähe des Bodens durch Leitung 31 aus dem Reaktor 48 abgezogen. Solche Produktteilchen haben die für die direkte Handhabung geeignete Größe und Dichte, ohne die bei anderen Verfahren, in denen feines Siliciumpulver oder feiner -staub in nennenswerten Mengen anfallen, notwendigen Konsolidierungsverfahren. Fig. 1 shows schematically the overall process of the decomposition of silane, in which the discharge zone of the fluidized bed can be used advantageously. The method includes a reactor 48 , a heat exchanger 42 , a filter 38 , a compressor 37 and a gas separator 36 . The fluidized bed reactor 48 is heated by a heating device, generally designated 49 . The silane feed material in line 32 is combined with the recycle hydrogen and / or inert carrier gas in line 34 and forms the direct fluidizing gas stream through line 33 into the bottom of reactor 48 . Silicon seed particles of conventional size are introduced into reactor 48 through line 30 . These silicon seed particles are suspended as a fluidized bed in the reactor 48 and moved through the fluidizing feed gas stream entering the reactor 48 through line 33 . The silicon product particles resulting from the deposition of silicon on the silicon particles of the fluidized bed reactor 48 are withdrawn from the reactor 48 through line 31 near the bottom. Such product particles have the size and density suitable for direct handling, without the consolidation processes necessary in other processes in which fine silicon powder or fine dust are produced in significant amounts.

Wie oben festgestellt ist die Verwendung von Silan als silanhaltigem Gas vorteilhaft deshalb, weil Silan und seine Zersetzungsprodukte, d. h. Silicium und Wasserstoff, nicht korrosiv und umweltfreundlich sind. Das bei der Zersetzung von Silan gebildete Nebenprodukt Wasserstoff wird aus dem Reaktor 48 durch die Leitung 43 zusammen mit etwa vorhandenem inerten Trägergas und dem Reaktor 48 über die Leitung 33 zugeführtem überschüssigem Silan abgezogen. Das Kopfgas der Leitung 43 wird über die Leitung 45 zurückgeführt. Der zurückgeführte Wasserstoff in Leitung 45 kann zur Verdünnung des silanhaltigen Speisegases in Leitung 32, das durch die Leitung 33 in den Reaktor 48 eingespeist wird, verwandt werden. Bei gegebenenfalls verwandten Mengen an inertem Trägergas im erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, daß sowohl Wasserstoff als auch das inerte Trägergas in den Leitungen 33, 43, 45, 46, 47, 50, 35 und 34 vorhanden sind.As stated above, the use of silane as a silane-containing gas is advantageous because silane and its decomposition products, ie silicon and hydrogen, are not corrosive and environmentally friendly. The by-product hydrogen formed during the decomposition of silane is withdrawn from the reactor 48 through line 43 together with any inert carrier gas which may be present and excess silane fed to the reactor 48 via line 33 . The top gas of line 43 is returned via line 45 . The returned hydrogen in line 45 can be used to dilute the silane-containing feed gas in line 32 , which is fed through line 33 into the reactor 48 . If the amounts of inert carrier gas used are used in the process according to the invention, it is possible for both hydrogen and the inert carrier gas to be present in lines 33, 43, 45, 46, 47, 50, 35 and 34 .

Der Rückführgasstrom 45 durchläuft zur Abkühlung einen Wärmetauscher 42 im Gegenstrom mit einem Kühlmittel, das durch die Leitung 40 durch den Austauscher 42 eintritt und ihn über die Leitung 41 verläßt. Der Rückführgasstrom 45 wird zur Temperatursenkung abgekühlt, um stromabwärts gelegene Vorrichtungen vor Schaden zu bewahren, wie auch, um eine Gaskontaminierung durch Rückführeinrichtungen zu vermeiden. Der Rückführgasstrom 45 wird auf eine Temperatur abgekühlt, die das zurückgeführte Gas 45 davor bewahrt, beim silanhaltigem Gas 32 eine vorzeitige heterogene Zersetzung zu bewirken, wenn die beiden vor dem Eintritt in den Reaktor 48 gemischt werden. Der abgekühlte Rückführgasstrom verläßt den Austauscher 42 durch die Leitung 46 und tritt in die Filtervorrichtung 38 ein. Die Filtervorrichtung 38 entfernt aus dem abgekühlten Rückführgasstrom 46 das vorhandene Siliciumpulver aus der Silanpyrolysereaktion. Das gefilterte Siliciumpulver verläßt den Filter durch die Leitung 39. Der gefilterte Rückführgasstrom verläßt den Filter 38 durch die Leitung 47 und wird mit Hilfe von Kompressor 37 in Leitung 50 rekomprimiert. Die Leitung 50 tritt in den Separator 36 ein, worin das Rückführgas in Leitung 35 und Leitung 34 aufgetrennt wird. Leitung 35 enthält in erster Linie Wasserstoff und Spurenmengen an anderen inerten Trägergasen. Solcher Wasserstoff kann in anderen Verfahren innerhalb des Systems verwandt werden. Der Wasserstoff und andere Fluidisierungsgase enthaltende Rückführgasstrom in Leitung 34 wird wieder mit dem Silanspeisestrom in Leitung 32 vereinigt und macht den Fluidisierungsgas- Speisestrom in Leitung 33 aus. The return gas stream 45 passes through a heat exchanger 42 for cooling in countercurrent with a coolant which enters through line 40 through exchanger 42 and leaves via line 41 . The recycle gas stream 45 is cooled to lower the temperature, to protect downstream devices from damage, as well as to avoid gas contamination by recycle devices. The recycle gas stream 45 is cooled to a temperature that prevents the recycle gas 45 from causing premature heterogeneous decomposition on the silane-containing gas 32 if the two are mixed prior to entering the reactor 48 . The cooled recycle gas stream leaves exchanger 42 through line 46 and enters filter device 38 . The filter device 38 removes the silicon powder from the cooled recycle gas stream 46 from the silane pyrolysis reaction. The filtered silicon powder leaves the filter through line 39 . The filtered recycle gas stream leaves filter 38 through line 47 and is recompressed in line 50 using compressor 37 . Line 50 enters separator 36 , where the recycle gas in line 35 and line 34 is separated. Line 35 primarily contains hydrogen and trace amounts of other inert carrier gases. Such hydrogen can be used in other processes within the system. The recycle gas stream in line 34 containing hydrogen and other fluidizing gases is recombined with the silane feed stream in line 32 and makes up the fluidizing gas feed stream in line 33 .

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, gemäß der die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit V₂ durch die Austragungszone 10 gleich ist der Fluidisierungsgasgeschwindigkeit V₁ durch die Reaktionszone 14. Das Silanspeisegas in Leitung 32 wird mit einem Wasserstoff/Inertträgergas-Speisestrom 34 vereinigt und bildet den Speisestrom in Leitung 33 zum Boden des Reaktors 48. Das Fluidisierungsspeisegas tritt durch die Perforationen einer konventionellen Gasverteilerplatte 15 in die Wirbelschichtreaktionszone 14 ein. Das Silangas des Speisestroms wird in der Wirbelschicht 14 aus Siliciumteilchen 12 unter Bildung von Silicium, das sich auf den Siliciumteilchen 12 in der Wirbelschicht 14 unter Bildung von vergrößerten Siliciumproduktteilchen 16 ablagert, zersetzt. Die vergrößerten Siliciumproduktteilchen 16 scheiden sich in der Nähe des Bodens des Reaktors 48 ab und werden in der Sammelkammer 17 gewonnen. Die gewonnenen Produktteilchen 16 werden dann aus der Sammelkammer 17 auf herkömmliche Weise (nicht gezeigt) abgezogen. Der Wirbelschichtreaktor 48 ist durch eine Fluidisierungsgasgeschwindigkeit gekennzeichnet, die ausreicht, die Siliciumteilchen 12 zu fluidi­ sieren. Fig. 2 shows an embodiment of the invention, according to which the fluidizing gas velocity V ₂ through the discharge zone 10 is equal to the fluidizing gas velocity V ₁ through the reaction zone 14th The silane feed gas in line 32 is combined with a hydrogen / inert carrier gas feed stream 34 and forms the feed stream in line 33 to the bottom of the reactor 48 . The fluidization feed gas enters the fluidized bed reaction zone 14 through the perforations of a conventional gas distributor plate 15 . The silane gas of the feed stream is decomposed in the fluidized bed 14 made of silicon particles 12 to form silicon which is deposited on the silicon particles 12 in the fluidized bed 14 to form enlarged silicon product particles 16 . The enlarged silicon product particles 16 deposit near the bottom of the reactor 48 and are collected in the collection chamber 17 . The product particles 16 obtained are then withdrawn from the collection chamber 17 in a conventional manner (not shown). The fluidized bed reactor 48 is characterized by a fluidizing gas velocity sufficient Sieren 12 the silicon particles to fluidic.

Gemäß Fig. 2 und 3 ist eine Konkurrenzreaktion zur heterogenen Zersetzung der Silaneinspeisung in die Reaktionszone 14 die homogene Zersetzung des Silans. Die homogene Zersetzung führt zur Bildung von Siliciumpulverteilchen 20, die sich nahe dem oberen Ende der Wirbelschichtreaktionszone 14 anreichern. Es ist notwendig, diese Siliciumpulverteilchen 20 zu entfernen, um das Verfahren zur Herstellung der Siliciumproduktteilchen 16 effizient zu gestalten. Die geringere Größe der Siliciumpulverteilchen 20 erlaubt die Austragung solcher Teilchen 20 mit dem aufwärtsströmenden Fluidisierungsgasen, wenn sie die Austragungszone 10 direkt oberhalb des oberen Endes der Wirbelschichtreaktionszone 14 durchströmen. Die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Austragungszone 10 muß so sein, daß sie nicht zur Austragung der Siliciumteilchen 12 führt. Das Nebenprodukt Wasserstoffgas, die Fluidisierungsgase und die Siliciumpulverteil­ chen 20 treten durch den oberen Teil der Austragungszone 10 durch den Auslaß 43 aus. Der Gasstrom aus 43 wird stromab weiterbehandelt, um die individuellen Gase und die Siliciumpulverteilchen 20 abzutrennen.According to Fig. 2 and 3, a competing reaction for the heterogeneous decomposition of Silaneinspeisung in the reaction zone 14 is the homogeneous decomposition of silane. The homogeneous decomposition leads to the formation of silicon powder particles 20 , which accumulate near the upper end of the fluidized bed reaction zone 14 . It is necessary to remove these silicon powder particles 20 in order to make the process for producing the silicon product particles 16 efficient. The smaller size of the silicon powder particles 20 permits the discharge of such particles 20 with the upward flowing fluidizing gases when they flow through the discharge zone 10 directly above the upper end of the fluidized bed reaction zone 14 . The fluidizing gas velocity through the discharge zone 10 must be such that it does not lead to the discharge of the silicon particles 12 . The by-product hydrogen gas, the fluidizing gases and the silicon powder particles chen 20 exit through the upper part of the discharge zone 10 through the outlet 43 . The gas stream from 43 is further processed downstream to separate the individual gases and the silicon powder particles 20 .

Es ist festzustellen, daß in der besonderen Ausführungsform der Fig. 2 die Austragungszone 10 und die Reaktionszone 14 den gleichen Durchmesser haben, weshalb die Fluidisierungsgasgeschwindigkeiten durch die Austragungszone 10 und die Reaktionszone 14 gleich sind. Durch geeignete Wahl der Fluidisierungsgasgeschwindigkeit kann die erwünschte Trennung der Siliciumpulverteilchen 20 und der Siliciumteilchen 12 durch Bereitstellung einer Austragungszone 10 von richtiger Höhe am oberen Ende der Wirbelschichtreaktionszone 14 erreicht werden. So wird beispielsweise, sobald eine erwünschte Gasgeschwindigkeit gewählt ist, die die Schicht aus Siliciumteilchen 12 wirksam fluidisiert, die Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone 10 ermittelt. Die Höhe der Austragungszone 10 direkt oberhalb des oberen Endes der Wirbelschicht 14 ist so, daß die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit ausreicht, eine nennenswerte Menge an Siliciumpulverteilchen 20 auszutragen, jedoch nicht ausreicht, eine nennenswerte Menge an Siliciumteilchen 12 auszutragen. Falls zuviele der Siliciumteilchen 12 ausgetragen werden, muß die Höhe der Austragungszone 10 erhöht werden. Andererseits, falls nicht genug Siliciumpulverteilchen 20 entfernt werden, muß die Höhe der Austragungszone 10 auf eine Höhe vermindert werden, die die Entfernung einer erwünschten Menge an Siliciumpulverteilchen 20 ohne Entfernung einer nennenswerten Menge an Siliciumteilchen 12 erlaubt.It should be noted that in the particular embodiment of FIG. 2, the discharge zone 10 and the reaction zone 14 have the same diameter, which is why the fluidizing gas velocities through the discharge zone 10 and the reaction zone 14 are the same. By appropriately selecting the fluidization gas velocity, the desired separation of the silicon powder particles 20 and the silicon particles 12 can be achieved by providing a discharge zone 10 of the correct height at the upper end of the fluidized bed reaction zone 14 . For example, as soon as a desired gas velocity is selected that effectively fluidizes the layer of silicon particles 12 , the gas velocity through the discharge zone 10 is determined. The height of the discharge zone 10 directly above the upper end of the fluidized bed 14 is such that the fluidizing gas velocity is sufficient to discharge a significant amount of silicon powder particles 20 , but is not sufficient to discharge a significant amount of silicon particles 12 . If too many of the silicon particles 12 are discharged, the height of the discharge zone 10 must be increased. On the other hand, if not enough silicon powder particles 20 are removed, the height of the discharge zone 10 must be reduced to a height that allows removal of a desired amount of silicon powder particles 20 without removing a significant amount of silicon particles 12 .

Da die Siliciumsaatteilchen in der Wirbelschicht 14 zu Siliciumproduktteilchen 16 anwachsen, die letztendlich aus dem System abgezogen werden, ist es nötig, die Menge an Siliciumsaatteilchen über die Leitung 30 zu ergänzen. Die neuen Saatteilchen werden durch Zerstoßen oder Zermahlen der gewonnenen Produktteilchen 16 bereitgestellt. Wärme wird der Wirbelschichtre­ aktionszone 14 durch eine geeignete Heizvorrichtung 49, etwa einen Widerstandsheizer, der an der äußeren Reaktorwand angeordnet ist, zugeführt.Because the silicon seed particles in the fluidized bed 14 grow into silicon product particles 16 that are ultimately withdrawn from the system, it is necessary to add the amount of silicon seed particles via line 30 . The new seed particles are provided by crushing or grinding the product particles 16 obtained. Heat is supplied to the fluidized bed reaction zone 14 by a suitable heating device 49 , such as a resistance heater, which is arranged on the outer reactor wall.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit V₂ durch die Austragungszone 10 größer ist als die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit V₁ durch die Reaktionszone 14. Die höhere Geschwindigkeit V₂ wird durch Verwendung einer Austragungszone 10 erreicht, deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Reaktionszone 14. Bei einer vorgegebenen Gasgeschwindigkeit V₁ durch die Reaktionszone 14 ist es möglich, diese Geschwindigkeit V₁ in der Austragungszone 10 auf V₂ zu erhöhen, indem der Durchmesser der Austragungszone 10 kleiner ist als der Durchmesser der Reaktionszone 14. Solch eine erhöhte Geschwindigkeit V₂ ist wünschenswert, wenn die Geschwindigkeit V₁ nicht ausreicht, Siliciumpulverteilchen 20 auszutragen. Fig. 3 shows an embodiment of the invention in which the fluidizing gas velocity V ₂ through the discharge zone 10 is greater than the fluidizing gas velocity V ₁ through the reaction zone 14th The higher speed V ₂ is achieved by using a discharge zone 10 , the diameter of which is smaller than the diameter of the reaction zone 14 . At a given gas velocity V ₁ through the reaction zone 14 , it is possible to increase this velocity V ₁ in the discharge zone 10 to V ₂ by the diameter of the discharge zone 10 being smaller than the diameter of the reaction zone 14 . Such an increased speed V ₂ is desirable if the speed V ₁ is not sufficient to discharge silicon powder particles 20 .

Das nachstehende Beispiel dient der Erläuterung einer besonderen Ausführungsform der Erfindung und soll nicht einschränkend verstanden werden.The following example serves to explain a special one Embodiment of the invention and is not intended to be limiting be understood.

Beispielexample

Es werden der erfindungsgemäße Reaktor und das erfindungsgemäße Verfahren, wie in der vorstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen beschrieben, zur thermischen Zersetzung von silanhaltigem Gas zu Silicium verwandt.There are the reactor of the invention and the inventive Method as in the above description based on the Drawings described for the thermal decomposition of silane Gas related to silicon.

Die Wirbelschichtreaktionszone hat einen Schichtdurchmesser von 30 cm. Die Schicht enthält Siliciumteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von etwa 1000 µm. Silanhaltiges Gas und Fluidisierungsgase werden dem Boden der Wirbelschichtreaktionszone durch einen herkömmlichen Gasverteiler zugeführt. Die Speisegase treten in die Reaktionszone mit einer Temperatur von etwa 25°C und einem Druck von etwa 2,07 bar (30 psig) in die Reaktionszone ein. Der Speisestrom enthält 56 Vol.-% Silan und 44 Vol.-% Fluidisierungsgase. Die volumetrische Menge an Speisegasen, die in die Wirbelschichtreaktionszone eintritt, ist so einstellbar, daß die Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone ebenfalls eingestellt werden kann.The fluidized bed reaction zone has a bed diameter of 30 cm. The layer contains silicon particles with an average Diameter of about 1000 µm. Gas containing silane and fluidizing gases become the bottom of the fluidized bed reaction zone fed through a conventional gas distributor. The Feed gases enter the reaction zone at a temperature of about 25 ° C and a pressure of about 2.07 bar (30 psig) into the  Reaction zone. The feed current contains 56 vol .-% silane and 44 vol% fluidizing gases. The volumetric amount of feed gases, which enters the fluidized bed reaction zone is so adjustable that the gas velocity through the reaction zone can also be set.

Oberhalb der Wirbelschichtreaktionszone ist eine Austragungszone angeordnet, die einen Durchmesser von 30 cm aufweist. Die Austragungszone hat eine Höhe, die im wesentlichen äquivalent zur Höhe der Wirbelschichtreaktionszone ist. Speisegas, das am Boden in die Reaktionszone eintritt, strömt aufwärts und durch die Reaktionszone in die Austragungszone und am oberen Ende der Austragungszone ab.A discharge zone is located above the fluidized bed reaction zone arranged, which has a diameter of 30 cm. The Discharge zone has a height that is essentially equivalent to the height of the fluidized bed reaction zone. Feed gas, which on Soil enters the reaction zone, flows up and through the reaction zone into the discharge zone and at the top of the Discharge zone.

Die Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone wird so eingestellt, daß sie ungefähr 10, 15, 20, 25, 30, 35 und 40 cm/s beträgt. Bei jeder verschiedenen Gasgeschwindigkeit in der Reaktionszone werden die Teilchen, die aus der Austragungszone ausgetragen werden, gesammelt. Die gesammelten Teilchen werden auf herkömmliche Weise hinsichtlich ihrer Größe bestimmt, etwa durch Siebsätze, und die maximale Größe der ausgetretenen Teilchen bestimmt. Für jede Gasgeschwindigkeit der Reaktionszone wird die maximale Größe der austretenden Teilchen bestimmt. Die Beziehung ist in Fig. 4 als Gerade 3 erläutert.The gas velocity through the reaction zone is adjusted to be approximately 10, 15, 20, 25, 30, 35 and 40 cm / s. At each different gas velocity in the reaction zone, the particles that are discharged from the discharge zone are collected. The collected particles are conventionally sized, such as sieve sets, and the maximum size of the particles that emerge. The maximum size of the emerging particles is determined for each gas velocity of the reaction zone. The relationship is illustrated as straight line 3 in FIG. 4.

Zusätzliche Messungen der maximalen Größe der austretenden Teilchen werden auf die oben beschriebene Weise für Austragungszonen durchgeführt, die einen Durchmesser von 25 cm und 20 cm haben. Die Beziehungen für diese Austragungszonen sind in Fig. 4 als Geraden 2 bzw. 1 wiedergegeben.Additional measurements of the maximum size of the exiting particles are carried out in the manner described above for discharge zones which have a diameter of 25 cm and 20 cm. The relationships for these discharge zones are shown in FIG. 4 as straight lines 2 and 1 , respectively.

Zu Vergleichszwecken wurde ein erweiterter Kopf mit einem Durchmesser von 35 cm und 40 cm, gegenüber einem Reaktionszonendurchmesser von 30 cm, oberhalb der Reaktionszone angeordnet. Die maximale Größe der austretenden Teilchen wird bestimmt, wie oben beschrieben, und die Beziehungen sind als Geraden C-1 und C-2 in Fig. 4 wiedergegeben. Die Geraden C-1 und C-2 dienen nur Vergleichszwecken und stellen keine erfindungsgemäßen Beispiele dar.For comparison purposes, an expanded head with a diameter of 35 cm and 40 cm, compared to a reaction zone diameter of 30 cm, was arranged above the reaction zone. The maximum size of the exiting particles is determined as described above and the relationships are shown as straight lines C - 1 and C - 2 in FIG. 4. The straight lines C - 1 and C - 2 are for comparison purposes only and do not represent examples according to the invention.

Fig. 4 zeigt, daß für einen gegebenen Durchmesser der Austragungszone mit Zunahme der Gasgeschwindigkeit durch die Reaktionszone die maximale Größe der austretenden Teilchen ebenfalls zunimmt. Wenn die Austragungszone einen Durchmesser hat, der kleiner ist als oder gleich ist dem Durchmesser der Reaktionszone für eine gegebene Reaktionszonengeschwindigkeit (Geraden 1 bis 3), ist die maximale Größe der austretenden Teilchen größer als die maximale Größe der austretenden Teilchen bei der gleichen Reaktionszonengasgeschwindigkeit, wenn die Austragungszone einen größeren Durchmesser aufweist als die Reaktionszone (Geraden C-1 und C-2). Dies ist ein Ergebnis der erhöhten Gasgeschwindigkeit V₂ durch die Austragungszone im Vergleich zur Gasgeschwindigkeit durch den erweiterten Kopf. Die Erfindung erlaubt es daher, wie von den Geraden 1, 2 und 3 erläutert, die maximale Größe der austretenden Teilchen für eine gegebene Reaktionszonengasgeschwindigkeit zu erhöhen, wenn mit der maximalen Größe der austretenden Teilchen bei einer Austragungszone mit einem größeren Durchmesser als in der Reaktionszone verglichen. Figure 4 shows that for a given discharge zone diameter, as the gas velocity through the reaction zone increases, the maximum size of the exiting particles also increases. If the discharge zone has a diameter that is less than or equal to the diameter of the reaction zone for a given reaction zone velocity (lines 1 to 3 ), the maximum size of the exiting particles is larger than the maximum size of the exiting particles at the same reaction zone gas velocity, if the discharge zone has a larger diameter than the reaction zone (straight lines C - 1 and C - 2 ). This is a result of the increased gas velocity V ₂ through the discharge zone compared to the gas velocity through the expanded head. The invention therefore, as explained by lines 1 , 2 and 3 , allows the maximum size of the exiting particles to be increased for a given reaction zone gas velocity when compared with the maximum size of the exiting particles in a discharge zone having a larger diameter than in the reaction zone .

Claims (31)

1. Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit durch Einführen eines silanhaltigen Gasstroms in eine Reaktionszone aus fluidisierten Siliciumteilchen, worin das silanhaltige Gas in der Reaktionszone 14 heterogen zu Silicium zersetzt wird, das sich auf den Siliciumteilchen 12 niederschlägt, wodurch sich die Siliciumteilchen 12 vergrößern und sich die vergrößerten Siliciumteilchen als Silicium-Produktteilchen 16 in der Nähe des Bodens der Reaktionszone 14 in einer Sammelzone 17 abscheiden, und worin oberhalb der Reaktionszone 14 eine Austragungszone 10 angeordnet ist, welche Austragungszone 10 eine Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des Fluidisierungsgasstroms aufweist, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone 14 senkrecht zur Richtung des Fluidisierungsgas­ stroms, dadurch gekennzeichnet, daß dieFluidisierungsgasgeschwindigkeit ausreicht, einen wesentlichen Teil der durch homogene Zersetzung des silanhaltigen Gases gebildeten Siliciumpulverteilchen 20 auszutragen und zu entfernen, jedoch nicht ausreicht, nennenswerte Mengen der Siliciumteilchen 12, 16 der Wirbelschicht 14 auszutragen.1. A fluidized bed reactor for producing high purity polycrystalline silicon by introducing a silane-containing gas stream into a reaction zone of fluidized silicon particles, wherein the silane-containing gas in the reaction zone 14 is heterogeneously decomposed into silicon, which is deposited on the silicon particles 12 , whereby the silicon particles 12 enlarge and the enlarged silicon particles separate out as silicon product particles 16 near the bottom of the reaction zone 14 in a collecting zone 17 , and in which a discharge zone 10 is arranged above the reaction zone 14 , which discharge zone 10 has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the fluidizing gas stream, which is smaller is equal to or equal to the cross-sectional area of the reaction zone 14 perpendicular to the direction of the fluidizing gas flow, characterized in that the fluidizing gas velocity is sufficient, a substantial part of that due to homogeneous decomposition of the silane To discharge and remove silicon gas particles 20 formed by gas, but it is not sufficient to discharge significant amounts of the silicon particles 12 , 16 of the fluidized bed 14 . 2. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidisierungsgas aus der aus Silan, Halogensilan, Wasserstoff und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist. 2. fluidized bed reactor according to claim 1, characterized, that the fluidizing gas from that of silane, halosilane, hydrogen and mixtures thereof existing group selected is.   3. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die eine Austragung von Siliciumteilchen 12, 16 mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 50 bis 400 µm im wesentlichen wirksam verhindert.3. Fluidized bed reactor according to claim 1 or 2, characterized in that the discharge zone is designed so that a gas velocity results, which effectively prevents the discharge of silicon particles 12 , 16 with an average diameter in the range from 50 to 400 µm. 4. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die eine Austragung von Siliciumteilchen 12, 16 von mehr als etwa 100 µm Größe im wesentliche wirksam verhindert.4. fluidized bed reactor according to claim 3, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results, which effectively prevents the discharge of silicon particles 12 , 16 of more than about 100 microns in size. 5. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die die Entfernung von wenigstens etwa 50% des durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstromes erzeugten Siliciumpulvers 20 bewirkt.5. Fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results which causes the removal of at least about 50% of the silicon powder 20 produced by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream. 6. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die die Entfernung von wenigstens etwa 90% des durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms erzeugten Siliciumpulvers 20 bewirkt.6. Fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results which causes the removal of at least about 90% of the silicon powder 20 produced by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream. 7. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 aus der Wirbelschicht 14 weniger als 70% der Siliciumteilchen in der Wirbelschicht ausmacht.7. fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the discharge loss of silicon particles 12 , 16 from the fluidized bed 14 makes up less than 70% of the silicon particles in the fluidized bed. 8. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 aus der Wirbelschicht 14 weniger als 10% der Siliciumteilchen der Wirbelschicht ausmacht.8. fluidized bed reactor according to claim 7, characterized in that the discharge loss of silicon particles 12 , 16 from the fluidized bed 14 makes up less than 10% of the silicon particles of the fluidized bed. 9. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 einen Durchmesser im Bereich von 17,8 cm bis 25,4 cm (7″ bis 10″) aufweist.9. fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the discharge zone 10 has a diameter in the range of 17.8 cm to 25.4 cm (7 "to 10"). 10. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 einen Durchmesser von etwa 20,3 cm (8″) aufweist.10. fluidized bed reactor according to claim 9, characterized in that the discharge zone 10 has a diameter of about 20.3 cm (8 ″). 11. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Austragungszone 10 im Bereich von 61 cm bis 6,1 m (2′ bis 20′) liegt.11. Fluidized bed reactor according to claim 9 or 10, characterized in that the length of the discharge zone 10 is in the range from 61 cm to 6.1 m (2 'to 20'). 12. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Durchmesser der Siliciumpulverteilchen 20 bis zu etwa 100 µm beträgt.12. fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 11, characterized, that the average diameter of the silicon powder particles 20 is up to about 100 microns. 13. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Durchmesser der Siliciumpulverteilchen 20 bis zu etwa 50 µm beträgt.13. fluidized bed reactor according to claim 12, characterized, that the average diameter of the silicon powder particles 20 is up to about 50 microns. 14. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Durchmesser der Silicium-Produktteilchen 16 im Bereich von 400 µm bis 1300 µm liegt.14. Fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 13, characterized in that the average diameter of the silicon product particles 16 is in the range from 400 µm to 1300 µm. 15. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasgeschwindigkeit durch die Austragungszone 10 im Bereich von 3 cm/s bis 146 cm/s (0,1′/s bis 4,8′/s) liegt. 15. Fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the gas velocity through the discharge zone 10 is in the range from 3 cm / s to 146 cm / s (0.1 '/ s to 4.8' / s). 16. Wirbelschichtreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das silanhaltige Gas aus der aus Silan, Halogensilanen und Mischungen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.16. fluidized bed reactor according to one of claims 1 to 15, characterized, that the silane-containing gas from that of silane, halosilanes and Mixtures of which existing group is selected. 17. Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit durch Pyrolyse eines silanhaltigen Gases in einer Wirbelschichtreaktionszone aus Siliciumteilchen, welches umfaßt
  • (a) die Einführung eines silanhaltigen Gasstroms in die Reaktionszone 14 aus fluidisierten Siliciumteilchen 12;
  • (b) die heterogene Zersetzung des silanhaltigen Gases unter Bedingungen, bei denen das Produktsilicium der heterogenen Zersetzung sich auf den Siliciumteilchen 12 niederschlägt, wodurch sich die Siliciumteilchen 12 vergrößern und als Siliciumproduktteilchen 16 in einer Sammelzone 17 abschei­ den;
  • (c) das Gewinnen der Siliciumproduktteilchen 16 aus der Sammelzone 17; und
  • (d) das Abtrennen der durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms gebildeten Siliciumpulverteilchen 20 von den Siliciumteilchen 12, 16 durch Durchleiten des Fluidisierungsgasstroms durch eine Austragungszone 10 mit einer Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone 14 senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, wobei die Austragungszone 10 dadurch gekennzeichnet ist, daß sie eine Gasgeschwindigkeit aufweist, die ausreicht, eine wesentliche Menge der Siliciumpulverteilchen 20 auszutragen und zu entfernen, jedoch nicht ausreicht, eine nennenswerte Menge der Siliciumteilchen 12, 16 auszutragen.
17. A process for producing polycrystalline silicon of high purity by pyrolysis of a gas containing silane in a fluidized bed reaction zone comprising silicon particles, which comprises
  • (a) introducing a silane-containing gas stream into the reaction zone 14 made of fluidized silicon particles 12 ;
  • (b) the heterogeneous decomposition of the silane-containing gas under conditions in which the product silicon of the heterogeneous decomposition is deposited on the silicon particles 12 , whereby the silicon particles 12 enlarge and deposit as silicon product particles 16 in a collection zone 17 ;
  • (c) recovering the silicon product particles 16 from the collection zone 17 ; and
  • (d) separating the silicon powder particles 20 formed by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream from the silicon particles 12 , 16 by passing the fluidizing gas stream through a discharge zone 10 having a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream that is less than or equal to the cross-sectional area of the reaction zone 14 perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream, the discharge zone 10 being characterized in that it has a gas velocity which is sufficient to discharge and remove a substantial amount of the silicon powder particles 20 , but is not sufficient, a significant amount of the silicon particles 12 , 16 to carry out.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die eine wesentliche Austragung von Siliciumteilchen 12, 16 mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 50 bis 400 µm wirksam verhindert.18. The method according to claim 17, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results which effectively prevents substantial discharge of silicon particles 12 , 16 with an average diameter in the range of 50 to 400 microns. 19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die einen wesentlichen Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 mit mehr als etwa 100 µm Größe wirksam verhindert.19. The method according to claim 18, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results which effectively prevents a substantial loss of discharge of silicon particles 12 , 16 with a size of more than about 100 microns. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 so ausgelegt ist, daß eine Gasgeschwindigkeit resultiert, die die Entfernung von wenigstens 50 % des durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms erzeugten Siliciumpulvers 20 bewirkt.20. The method according to any one of claims 17 to 19, characterized in that the discharge zone 10 is designed so that a gas velocity results which causes the removal of at least 50% of the silicon powder 20 produced by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream. 21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 aus der Wirbelschicht 14 weniger als 10% der Siliciumteilchen der Wirbelschicht ausmacht.21. The method according to any one of claims 17 to 20, characterized in that the loss of discharge of silicon particles 12 , 16 from the fluidized bed 14 makes up less than 10% of the silicon particles of the fluidized bed. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 einen Durchmesser im Bereich von 17,8 cm bis 25,4 cm (7″ bis 10″) aufweist.22. The method according to any one of claims 17 to 21, characterized in that the discharge zone 10 has a diameter in the range of 17.8 cm to 25.4 cm (7 "to 10"). 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidisierungsgasgeschwindigkeit durch die Austragungszone 10 im Bereich von 3 cm/s bis 146 cm/s (0,1′/s bis 4,8′/s) liegt. 23. The method according to any one of claims 17 to 22, characterized in that the fluidizing gas velocity through the discharge zone 10 is in the range of 3 cm / s to 146 cm / s (0.1 '/ s to 4.8' / s). 24. Wirbelschichtreaktor zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit durch Einführen eines silanhaltigen Gasstroms in eine Reaktionszone aus fluidisierten Siliciumteilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 50 µm bis 400 µm, wobei das silanhaltige Gas bei einer Temperatur im Bereich von 550°C bis 1000°C in der Reaktionszone 14 zu Silicium zersetzt wird, das sich auf den Siliciumteilchen 12 niederschlägt, wodurch sich die Siliciumteilchen 12 vergrößern und die vergrößerten Siliciumteilchen 16 mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 400 µm bis 1300 µm als Siliciumproduktteilchen 16 in der Nähe des Bodens der Reaktionszone 14 in einer Sammelzone 17 abscheiden, und worin oberhalb der Reaktionszone 14 eine Austragungszone 10 angeordnet ist, welche Austragungszone eine Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms aufweist, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone 14 senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit im Bereich von 3 cm/s bis 146 cm/s (0,1′/s bis 4,8′/s) liegt, wobei die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit die Entfernung von wenigstens von 50% des durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms erzeugten Siliciumpulvers 20 bewirkt, jedoch zur Austragung einer nennenswerten Menge von Siliciumteilchen 12, 16 nicht ausreicht.24. Fluidized bed reactor for the production of polycrystalline silicon of high purity by introducing a silane-containing gas stream into a reaction zone of fluidized silicon particles with an average diameter in the range from 50 μm to 400 μm, the silane-containing gas at a temperature in the range from 550 ° C. to 1000 ° C is decomposed in the reaction zone 14 to silicon, which is deposited on the silicon particles 12 , whereby the silicon particles 12 enlarge and the enlarged silicon particles 16 with an average diameter in the range of 400 microns to 1300 microns as silicon product particles 16 near the bottom of the Separate reaction zone 14 in a collecting zone 17 , and in which a discharge zone 10 is arranged above reaction zone 14 , which discharge zone has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream which is smaller than or equal to the cross-sectional area of reaction zone 14 perpendicular t to the direction of the silane-containing gas flow, characterized in that the fluidizing gas velocity is in the range from 3 cm / s to 146 cm / s (0.1 ′ / s to 4.8 ′ / s), the fluidizing gas velocity being the distance of at least 50% of the silicon powder 20 produced by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream is effected, but is not sufficient to discharge a significant amount of silicon particles 12 , 16 . 25. Wirbelschicht nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das silanhaltige Gas Silan ist.25. fluidized bed according to claim 24, characterized, that the silane-containing gas is silane. 26. Wirbelschicht nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 der Wirbelschicht 14 weniger als 70% der Siliciumteilchen der Wirbelschicht ausmacht. 26. Fluidized bed according to claim 24, characterized in that the discharge loss on silicon particles 12 , 16 of the fluidized bed 14 makes up less than 70% of the silicon particles of the fluidized bed. 27. Verfahren zur Herstellung von polykristallinem Silicium hoher Reinheit durch Pyrolyse von silanhaltigen Gas in einer Wirbelschichtreaktionszone aus Siliciumteilchen, welches Verfahren umfaßt:
  • (a) die Einführung eines silanhaltigen Gasstroms in die Reaktionszone 14 aus fluidisierten Siliciumteilchen 12 mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 50 µm bis 400 µm;
  • (b) die heterogene Zersetzung des silanhaltigen Gases bei einer Temperatur im Bereich von 550°C bis 1000°C, wobei sich das Produktsilicium der heterogenen Zersetzung auf den Siliciumteilchen 12 niederschlägt, wodurch sich die Siliciumteilchen 12 vergrößern und als Siliciumproduktteilchen 16 mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 400 µm bis 1000 µm in einer Sammelzone 17 abscheiden;
  • (c) das Gewinnen der Siliciumproduktteilchen 16 aus der Sammelzone 17; und
  • (d) das Abtrennen von durch die homogene Zersetzung des silanhaltigen Gasstroms erzeugten Siliciumpulverteilchen 20 mit einem durchschnittlichen Durchmesser von bis zu etwa 1 µm von den Siliciumteilchen 12, 16 durch Durchleiten des Fluidisierungsgasstroms durch eine Austragungszone 10 mit einer Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms, die kleiner ist als die oder gleich ist der Querschnittsfläche der Reaktionszone senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms; wobei die Austragungszone 10 dadurch gekennzeichnet ist durch eine Fluidisierungs­ gasgeschwindigkeit im Bereich von 3,0 cm/s bis 146 cm/s (0,1′/s bis 4,8′/s und die Fluidisierungsgasgeschwindigkeit die Entfernung von wenigstens 50% des durch die homogene Zersetzung des silanhaltiges Gasstroms erzeugten Siliciumpulvers 20 bewirkt, jedoch zur Austragung einer nennenswerten Menge der Siliciumteilchen 12, 16 nicht aus­ reicht.
27. A process for producing high purity polycrystalline silicon by pyrolysis of gas containing silane in a fluidized bed reaction zone from silicon particles, which process comprises:
  • (a) introducing a silane-containing gas stream into the reaction zone 14 made of fluidized silicon particles 12 with an average diameter in the range from 50 µm to 400 µm;
  • (b) the heterogeneous decomposition of the silane-containing gas at a temperature in the range of 550 ° C to 1000 ° C, wherein the product silicon of the heterogeneous decomposition is deposited on the silicon particles 12 , whereby the silicon particles 12 enlarge and as silicon product particles 16 with an average diameter deposit in the range from 400 µm to 1000 µm in a collection zone 17 ;
  • (c) recovering the silicon product particles 16 from the collection zone 17 ; and
  • (d) separating silicon powder particles 20 produced by the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream and having an average diameter of up to approximately 1 μm from the silicon particles 12 , 16 by passing the fluidizing gas stream through a discharge zone 10 with a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream, which is less than or equal to the cross-sectional area of the reaction zone perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream; The discharge zone 10 is characterized by a fluidization gas velocity in the range from 3.0 cm / s to 146 cm / s (0.1 ′ / s to 4.8 ′ / s) and the fluidization gas velocity by the removal of at least 50% of the causes the homogeneous decomposition of the silane-containing gas stream generated silicon powder 20 , but is not sufficient to discharge a significant amount of silicon particles 12 , 16 .
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das silanhaltige Gas Silan ist.28. The method according to claim 27, characterized, that the silane-containing gas is silane. 29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Austragungsverlust an Siliciumteilchen 12, 16 der Wirbelschicht 14 weniger als 70% der Siliciumteilchen der Wirbelschicht ausmacht.29. The method according to claim 27 or 28, characterized in that the discharge loss on silicon particles 12 , 16 of the fluidized bed 14 makes up less than 70% of the silicon particles of the fluidized bed. 30. Verfahren nach Anspruch 17 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 eine Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der Reaktionszone senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms.30. The method according to claim 17 or 27, characterized in that the discharge zone 10 has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream, which is smaller than the cross-sectional area of the reaction zone perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream. 31. Wirbelschichtreaktor nach Anspruch 1 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Austragungszone 10 eine Querschnittsfläche senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche der Reaktionszone 14 senkrecht zur Richtung des silanhaltigen Gasstroms.31. Fluidized bed reactor according to claim 1 or 24, characterized in that the discharge zone 10 has a cross-sectional area perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream, which is smaller than the cross-sectional area of the reaction zone 14 perpendicular to the direction of the silane-containing gas stream.
DE19883842099 1987-12-14 1988-12-14 Fluidised-bed reactor for producing polycrystalline silicon Granted DE3842099A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13249087A 1987-12-14 1987-12-14

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE3842099A1 true DE3842099A1 (en) 1989-06-22
DE3842099C2 DE3842099C2 (en) 1992-11-05

Family

ID=22454295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19883842099 Granted DE3842099A1 (en) 1987-12-14 1988-12-14 Fluidised-bed reactor for producing polycrystalline silicon

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP2562360B2 (en)
CA (1) CA1336937C (en)
DE (1) DE3842099A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3910343A1 (en) * 1988-03-31 1989-10-12 Union Carbide Corp Externally heated fluidised-bed reactor
WO2005085133A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-15 Degussa Ag Process for producing silicon
WO2014191274A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Wacker Chemie Ag Method for producing granular polysilicon
CN116272693A (en) * 2023-01-31 2023-06-23 内蒙古鄂尔多斯多晶硅业有限公司 A method for selecting silicon powder particles suitable for cold hydrogenation fluidized bed

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10060469A1 (en) * 2000-12-06 2002-07-04 Solarworld Ag Process for the production of high-purity, granular silicon
DE102004027563A1 (en) * 2004-06-04 2005-12-22 Joint Solar Silicon Gmbh & Co. Kg Silicon and process for its production
DE202008013839U1 (en) 2008-12-23 2009-04-09 G+R Polysilicon Gmbh Tube heat exchanger for a device for producing polysilicon
US8534904B2 (en) * 2010-03-10 2013-09-17 Lord Ltd., Lp Apparatus for restarting a gas-solids contactor

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4314525A (en) * 1980-03-03 1982-02-09 California Institute Of Technology Fluidized bed silicon deposition from silane

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4314525A (en) * 1980-03-03 1982-02-09 California Institute Of Technology Fluidized bed silicon deposition from silane

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3910343A1 (en) * 1988-03-31 1989-10-12 Union Carbide Corp Externally heated fluidised-bed reactor
WO2005085133A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-15 Degussa Ag Process for producing silicon
RU2368568C2 (en) * 2004-03-02 2009-09-27 Дегусса Аг Method of obtaining silicon
US7632478B2 (en) 2004-03-02 2009-12-15 Degussa Ag Process for producing silicon
WO2014191274A1 (en) * 2013-05-29 2014-12-04 Wacker Chemie Ag Method for producing granular polysilicon
CN105246827A (en) * 2013-05-29 2016-01-13 瓦克化学股份公司 Method for producing granular polysilicon
CN116272693A (en) * 2023-01-31 2023-06-23 内蒙古鄂尔多斯多晶硅业有限公司 A method for selecting silicon powder particles suitable for cold hydrogenation fluidized bed

Also Published As

Publication number Publication date
JP2562360B2 (en) 1996-12-11
DE3842099C2 (en) 1992-11-05
JPH026392A (en) 1990-01-10
CA1336937C (en) 1995-09-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3781223T2 (en) PRODUCTION OF POLYCRYSTALLINE SILICON BY PYROLYSIS OF SILANE.
DE3332469A1 (en) REACTOR SYSTEM AND METHOD FOR REACTION OF SEED PARTICLES WITH A GAS THAT WORKS AS A MATERIAL SOURCE
DE60219497T2 (en) PROCESS FOR PREPARING SILICON
EP2997175B1 (en) Reactor for producing polycrystalline silicon and method for removing a silicon-containing layer on a component of such a reactor
DE69501459T2 (en) Process for the continuous cleaning of quartz powder
EP1390296A1 (en) Method for producing highly pure, granular silicon in a fluidised bed
EP1544167B1 (en) Dust- and pore-free high purity polysilicon granules
DE19735378A1 (en) Process for the production of high-purity silicon granules
DE2954368C2 (en) Process for the continuous production of high-purity silicon by thermal decomposition of tribromosilane
DE3877857T2 (en) FLUID BED REACTOR AND METHOD.
DE3230590C2 (en) Process for the production of trichlorosilane and silicon tetrachloride from silicon and hydrogen chloride
EP3606874B1 (en) Process for the preparation of chlorosilanes
DE69720301T2 (en) Manufacture of silanes
DE3839700C2 (en) Fluidized bed reactor with heatable lining
DE3842099C2 (en)
DE2306517C3 (en) Process for the production of chlorine and iron oxide by reacting oxygen with iron chloride in the vapor phase
DE3910328C2 (en) Fluid bed process and reactor for the production of polycrystalline silicon
DE3910343C2 (en)
DE69519334T2 (en) Pearl-shaped vanillin or ethyl vanillin and process for their preparation
DE68907001T2 (en) POLYSILICIUM WITH REDUCED HYDROGEN CONTENT.
DE3500318C2 (en)
EP3781519B1 (en) Method for producing chlorosilanes
DE10062419A1 (en) Process for the production of high-purity, granular silicon
DE1143797B (en) Process for the production of trichlorosilane
DE2804744C2 (en) Process for producing high purity aluminium chloride

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8125 Change of the main classification

Ipc: B01J 8/24

8125 Change of the main classification

Ipc: C01B 33/027

D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: ADVANCED SILICON MATERIALS INC., MOSES LAKE, WASH.

8328 Change in the person/name/address of the agent

Free format text: FRHR. VON PECHMANN, E., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., 8000 MUENCHEN BEHRENS, D., DR.-ING., 81541 MUENCHEN BRANDES, J., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. GOETZ, R., DIPL.-ING. DIPL.-WIRTSCH.-ING. VON HELLFELD, A., DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., PAT.-ANWAELTE WUERTENBERGER, G., RECHTSANW., 8000 MUENCHEN

8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: ADVANCED SILICON MATERIALS LLC,(N.D.GES.D.STAATES